JP7339302B2 - Method for sequencing nucleic acids using time-resolved luminescence - Google Patents
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Description
本出願は、概して、生物学的試料および化学的試料の少なくとも一方の迅速な超並列定量分析を実施するための方法、組成物、およびデバイス、ならびに上記デバイスを製造するための方法に関する。 The present application relates generally to methods, compositions, and devices for performing rapid, massively parallel, quantitative analysis of biological and/or chemical samples, and methods for manufacturing such devices.
生物学的試料の検出および分析は、生物学的アッセイ(「バイオアッセイ」)を使用して実施され得る。従来法では、バイオアッセイには、大型で高価な実験装置が関与し、そのような装置には、装置を操作し、バイオアッセイを実施するように訓練された研究者が必要とされる。さらに、バイオアッセイは、従来法ではバルクで実施されるため、検出および定量化には、大量の特定のタイプの試料が必要である。 Detection and analysis of biological samples can be performed using biological assays (“bioassays”). Traditionally, bioassays involve large and expensive laboratory equipment, and such equipment requires researchers trained to operate the equipment and perform bioassays. Furthermore, bioassays are conventionally performed in bulk, requiring large amounts of specific types of samples for detection and quantification.
いくつかのバイオアッセイは、特定の波長の光を放射する発光マーカーを用いて試料をタグ付けすることにより実施される。マーカーが光源で照射されて発光を引き起こし、その発光光が光検出器で検出されて、マーカーにより放射された発光光の量を定量する。発光マーカーを使用するバイオアッセイには従来、試料を照射するための高価なレーザー光源、および複雑な発光検出光学系、および照射された試料からの発光を収集するための電子機器系が関与する。 Some bioassays are performed by tagging samples with luminescent markers that emit light at specific wavelengths. A marker is illuminated with a light source to cause it to emit light, and the emitted light is detected by a photodetector to quantify the amount of emitted light emitted by the marker. Bioassays using luminescent markers traditionally involve an expensive laser light source to illuminate the sample and complex emission detection optics and electronics to collect the emission from the illuminated sample.
本出願の一態様によると、単一分子は、複数の別々の光パルスに曝露された際に、上記分子から放射される一連の光子の1つまたは複数の特性に基づいて識別されることが可能である(例えば、反応試料中の他の考え得る分子から判別されることが可能である)。いくつかの実施形態では、放射光子は、異なる発光寿命に基づいて分子を識別/判別するために使用されることが可能である。いくつかの実施形態では、発光寿命は、算出されることが可能である。いくつかの実施形態では、実際の寿命は、算出されなくともよい。例えば、発光寿命を示唆する1つまたは複数の特性が、使用されてもよい(例えば放射のローカルタイム、検出された放射の時間分布)。いくつかの実施形態では、放射光子は、分子の発光強度を決定するために使用されてもよく、発光強度は、分子を識別するために使用されてもよい。いくつかの実施形態では、放射光子は、分子の発光寿命および発光強度を決定するために使用されてもよく、発光寿命または発光強度は、分子を識別するために使用されてもよい。いくつかの実施形態では、分子の同一性は、発光寿命および発光強度の両方の組合せに基づいていてもよい。 According to one aspect of the present application, a single molecule can be identified based on one or more properties of a sequence of photons emitted from said molecule when exposed to a plurality of separate light pulses. It is possible (eg, it can be distinguished from other possible molecules in the reaction sample). In some embodiments, emitted photons can be used to identify/discriminate molecules based on their different emission lifetimes. In some embodiments, a luminescence lifetime can be calculated. In some embodiments, the actual lifetime may not be calculated. For example, one or more properties indicative of luminescence lifetime may be used (eg, local time of radiation, time distribution of detected radiation). In some embodiments, emitted photons may be used to determine the emission intensity of the molecule, and the emission intensity may be used to identify the molecule. In some embodiments, emitted photons may be used to determine the luminescence lifetime and luminescence intensity of a molecule, and the luminescence lifetime or luminescence intensity may be used to identify the molecule. In some embodiments, molecular identity may be based on a combination of both emission lifetime and emission intensity.
いくつかの実施形態では、分子は、発光標識で標識されていてもよい。いくつかの実施形態では、発光標識は、フルオロフォアである。いくつかの実施形態では、発光標識は、発光標識の特性に基づいて識別または判別されることが可能である。発光標識(例えば、フルオロフォア)の特性としては、これらに限定されないが、発光寿命、吸収スペクトル、放射スペクトル、発光量子収量、および発光強度が挙げられる。いくつかの実施形態では、発光標識は、発光寿命に基づいて識別または判別される。いくつかの実施形態では、発光標識は、発光強度に基づいて識別または判別される。いくつかの実施形態では、発光標識は、放射光子を観察するのに必要な加えられた励起エネルギーの波長に基づいて識別または判別される。いくつかの実施形態では、発光標識は、放射光子の波長に基づいて識別または判別される。いくつかの実施形態では、発光標識は、発光寿命と、放射光子を観察するのに必要な加えられた励起エネルギーの波長との両方に基づいて識別または判別される。いくつかの実施形態では、発光標識は、発光強度と、放射光子を観察するのに必要な加えられた励起エネルギーの波長との両方に基づいて識別または判別される。いくつかの実施形態では、発光標識は、発光寿命、発光強度、および放射光子を観察するのに必要な加えられた励起エネルギーの波長に基づいて識別または判別される。いくつかの実施形態では、発光標識は、発光寿命および放射光子の波長の両方に基づいて識別または判別される。いくつかの実施形態では、発光標識は、発光強度および放射光子の波長の両方に基づいて識別または判別される。いくつかの実施形態では、発光標識は、発光寿命、発光強度、および放射光子の波長に基づいて識別または判別される。 In some embodiments, the molecule may be labeled with a luminescent label. In some embodiments, the luminescent label is a fluorophore. In some embodiments, luminescent labels can be identified or distinguished based on properties of the luminescent label. Properties of luminescent labels (eg, fluorophores) include, but are not limited to, emission lifetime, absorption spectrum, emission spectrum, emission quantum yield, and emission intensity. In some embodiments, luminescent labels are identified or distinguished based on their luminescent lifetime. In some embodiments, luminescent labels are identified or distinguished based on luminescence intensity. In some embodiments, luminescent labels are identified or distinguished based on the wavelength of applied excitation energy required to observe emitted photons. In some embodiments, luminescent labels are identified or distinguished based on the wavelength of emitted photons. In some embodiments, luminescent labels are identified or distinguished based on both the luminescent lifetime and the wavelength of applied excitation energy required to observe emitted photons. In some embodiments, luminescent labels are identified or distinguished based on both the emission intensity and the wavelength of applied excitation energy required to observe emitted photons. In some embodiments, luminescent labels are identified or differentiated based on the emission lifetime, emission intensity, and wavelength of applied excitation energy required to observe emitted photons. In some embodiments, luminescent labels are identified or distinguished based on both luminescent lifetime and wavelength of emitted photons. In some embodiments, luminescent labels are identified or distinguished based on both the intensity of the emitted light and the wavelength of the emitted photons. In some embodiments, luminescent labels are identified or distinguished based on luminescent lifetime, luminescent intensity, and wavelength of emitted photons.
ある実施形態では、反応混合物中または実験中の異なるタイプの分子が、異なる発光マーカーで標識される。いくつかの実施形態では、異なるマーカーは、判別されることが可能である異なる発光特性を有する。いくつかの実施形態では、異なるマーカーは、異なる発光寿命、異なる発光強度、放射光子の異なる波長、またはそれらの組合せを有することにより判別される。異なる発光マーカーを有する複数のタイプの分子が存在することにより、複合反応の異なるステップがモニターされること、または複合反応産物の異なる成分が識別されることを可能にすることができる。いくつかの実施形態では、異なるタイプの分子が反応または相互作用する順序が決定されることが可能である。 In certain embodiments, different types of molecules in a reaction mixture or experiment are labeled with different luminescent markers. In some embodiments, different markers have different luminescence properties that can be discriminated. In some embodiments, different markers are distinguished by having different emission lifetimes, different emission intensities, different wavelengths of emitted photons, or combinations thereof. The presence of multiple types of molecules with different luminescent markers can allow different steps of a conjugation reaction to be monitored, or different components of conjugation reaction products to be identified. In some embodiments, the order in which different types of molecules react or interact can be determined.
いくつかの実施形態では、異なるヌクレオチドが、異なる数の同じ発光分子で(例えば、同じ蛍光色素の1つまたは複数で)発光標識されていてもよい。いくつかの実施形態では、発光標識の発光分子の数を変更することは、異なるヌクレオチドが、異なる強度に基づいて判別されることを可能にすることができる。いくつかの実施形態では、異なるヌクレオチドの各々が、異なるタイプの発光分子および/または異なる数の各発光分子で標識されていてもよい。いくつかの実施形態では、異なるタイプの発光分子は、異なるヌクレオチドが、異なる強度および/または異なる寿命に基づいて判別されることを可能にする。 In some embodiments, different nucleotides may be luminescently labeled with different numbers of the same luminescent molecule (eg, with one or more of the same fluorochromes). In some embodiments, varying the number of luminescent molecules of a luminescent label can allow different nucleotides to be distinguished based on different intensities. In some embodiments, each different nucleotide may be labeled with a different type of luminescent molecule and/or a different number of each luminescent molecule. In some embodiments, different types of luminescent molecules allow different nucleotides to be distinguished based on different intensities and/or different lifetimes.
ある実施形態では、核酸またはタンパク質等の生体分子の配列を識別するために、異なる発光マーカーを有する複数のタイプの分子の発光特性が使用される。いくつかの実施形態では、異なる発光マーカーを有する複数のタイプの分子の発光特性が使用されて、それらが生体分子の合成中に組み込まれるときに単一分子を識別する。いくつかの実施形態では、異なる発光マーカーを有する複数のタイプのヌクレオチドの発光特性が使用されて、それらが配列決定反応中に組み込まれる時に単一ヌクレオチドを識別する。これにより、核酸鋳型の配列の決定が可能になり得る。いくつかの実施形態では、発光標識ヌクレオチドは、核酸鋳型に相補的な核酸鎖に組み込まれる。いくつかの実施形態では、相補鎖は、プライマーを含む。 In some embodiments, the luminescent properties of multiple types of molecules with different luminescent markers are used to distinguish sequences of biomolecules such as nucleic acids or proteins. In some embodiments, the luminescent properties of multiple types of molecules with different luminescent markers are used to identify single molecules as they are incorporated during the synthesis of biomolecules. In some embodiments, the luminescent properties of multiple types of nucleotides with different luminescent markers are used to distinguish single nucleotides when they are incorporated into a sequencing reaction. This may allow determination of the sequence of the nucleic acid template. In some embodiments, the luminescently labeled nucleotide is incorporated into a nucleic acid strand complementary to the nucleic acid template. In some embodiments the complementary strand comprises a primer.
ある実施形態では、異なる発光マーカーを有する複数のタイプのヌクレオチドは、4つのタイプの発光標識ヌクレオチドを含む。いくつかの実施形態では、4つの発光標識ヌクレオチドは、1つのスペクトル範囲内の光子を吸収および/または放射する。いくつかの実施形態では、発光標識ヌクレオチドの3つは、第1のスペクトル範囲内で放射し、第4の発光標識ヌクレオチドは、第2のスペクトル範囲内の光子を吸収および/または放射する。いくつかの実施形態では、発光標識ヌクレオチドの2つは、第1のスペクトル範囲内で放射し、第3および第4の発光標識ヌクレオチドは、第2のスペクトル範囲内の発光を放射する。いくつかの実施形態では、発光標識ヌクレオチドの2つは、第1のスペクトル範囲内で放射し、第3のヌクレオチドは、第2のスペクトル範囲内の光子を吸収および/または放射し、第4のヌクレオチドは、第3のスペクトル範囲内の光子を吸収および/または放射する。いくつかの実施形態では、4つの発光標識ヌクレオチドの各々は、異なるスペクトル範囲内の光子を吸収および/または放射する。いくつかの実施形態では、同じスペクトル範囲内の光子を吸収および/または放射する各タイプの発光標識ヌクレオチドは、異なる発光寿命または発光強度またはそれらの両方を有する。 In certain embodiments, the multiple types of nucleotides with different luminescent markers comprise four types of luminescently labeled nucleotides. In some embodiments, the four luminescently labeled nucleotides absorb and/or emit photons within one spectral range. In some embodiments, three of the luminescently labeled nucleotides emit in a first spectral range and a fourth luminescently labeled nucleotide absorbs and/or emits photons in a second spectral range. In some embodiments, two of the luminescently labeled nucleotides emit in a first spectral range and the third and fourth luminescently labeled nucleotides emit in a second spectral range. In some embodiments, two of the luminescently labeled nucleotides emit within a first spectral range, a third nucleotide absorbs and/or emits photons within a second spectral range, and a fourth Nucleotides absorb and/or emit photons within the third spectral range. In some embodiments, each of the four luminescently labeled nucleotides absorbs and/or emits photons within different spectral ranges. In some embodiments, each type of luminescently labeled nucleotide that absorbs and/or emits photons within the same spectral range has a different emission lifetime or emission intensity or both.
いくつかの実施形態では、反応混合物中の4つの異なるタイプのヌクレオチド(例えば、アデニン、グアニン、シトシン、チミン/ウラシル)は各々が、1つまたは複数の発光分子で標識されていてもよい。いくつかの実施形態では、各タイプのヌクレオチドは、1つを超える同じ発光分子に接続されていてもよい(例えば、2つ以上の同じ蛍光色素がヌクレオチドに接続されている)。いくつかの実施形態では、各発光分子は、1つを超えるヌクレオチド(例えば、2つ以上の同じヌクレオチド)に接続されていてもよい。いくつかの実施形態では、1つを超えるヌクレオチドが、1つを超える発光分子に接続されていてもよい。いくつかの実施形態では、保護分子が、1つまたは複数のヌクレオチド(例えば、同じタイプの)および1つまたは複数の発光分子(例えば、同じタイプの)を付着させるためのアンカーとしての役目を果たす。いくつかの実施形態では、4つのヌクレオチドは全て、同じスペクトル範囲(例えば、520~570nm)内で吸収および放射する発光分子で標識されている。 In some embodiments, each of the four different types of nucleotides (eg, adenine, guanine, cytosine, thymine/uracil) in the reaction mixture may be labeled with one or more luminescent molecules. In some embodiments, each type of nucleotide may be attached to more than one of the same luminescent molecule (eg, two or more of the same fluorescent dyes are attached to the nucleotide). In some embodiments, each luminescent molecule may be attached to more than one nucleotide (eg, two or more of the same nucleotide). In some embodiments, more than one nucleotide may be attached to more than one luminescent molecule. In some embodiments, the protective molecule serves as an anchor for attaching one or more nucleotides (e.g., of the same type) and one or more luminescent molecules (e.g., of the same type). . In some embodiments, all four nucleotides are labeled with luminescent molecules that absorb and emit within the same spectral range (eg, 520-570 nm).
いくつかの実施形態では、1組の4つのヌクレオチド中の発光標識は、芳香族化合物またはヘテロ芳香族化合物を含む色素から選択されることが可能であり、ピレン、アントラセン、ナフタレン、アクリジン、スチルベン、インドール、ベンズインドール、オキサゾール、カルバゾール、チアゾール、ベンゾチアゾール、フェナントリジン、フェノキサジン、ポルフィリン、キノリン、エチジウム、ベンズアミド、シアニン、カルボシアニン、サリチラート、アントラニラート、クマリン、フルオロセイン(fluoroscein)、ローダミン、または他の類似化合物であってもよい。例示的な色素としては、フルオレセイン色素またはローダミン色素等のキサンテン色素、ナフタレン色素、クマリン色素、アクリジン色素、シアニン色素、ベンゾオキサゾール色素、スチルベン色素、ピレン色素、フタロシアニン色素、フィコビリタンパク質色素、およびスクアライン色素等が挙げられる。 In some embodiments, the luminescent labels in a set of four nucleotides can be selected from dyes comprising aromatic or heteroaromatic compounds, pyrene, anthracene, naphthalene, acridine, stilbene, indole, benzindole, oxazole, carbazole, thiazole, benzothiazole, phenanthridine, phenoxazine, porphyrin, quinoline, ethidium, benzamide, cyanine, carbocyanine, salicylate, anthranilate, coumarin, fluoroscein, rhodamine, or other similar compounds. Exemplary dyes include xanthene dyes such as fluorescein dyes or rhodamine dyes, naphthalene dyes, coumarin dyes, acridine dyes, cyanine dyes, benzoxazole dyes, stilbene dyes, pyrene dyes, phthalocyanine dyes, phycobiliprotein dyes, and squaraines. A dye etc. are mentioned.
いくつかの実施形態では、1組の4つのヌクレオチド中の発光標識は、アレクサフルオル(Alexa Fluor)(登録商標)546、Cy(登録商標)3B、Alexa
Fluor(登録商標)555、およびAlexa Fluor(登録商標)555、ならびにFRET対であるAlexa Fluor(登録商標)555およびCy(登録商標)3.5を含む。いくつかの実施形態では、1組の4つのヌクレオチド中の発光標識は、Alexa Fluor(登録商標)555、Cy(登録商標)3.5、Alexa
Fluor(登録商標)546、およびディライト(DyLight)(登録商標)554-R1を含む。いくつかの実施形態では、1組の4つのヌクレオチド中の発光標識は、Alexa Fluor(登録商標)555、Cy(登録商標)3.5、アットロー(ATTO Rho)6G、およびDyLight(登録商標)554-R1を含む。いくつかの実施形態では、1組の4つのヌクレオチド中の発光標識は、Alexa Fluor(登録商標)555、Cy(登録商標)3B、ATTO Rho6G、およびDyLight(登録商標)554-R1を含む。いくつかの実施形態では、1組の4つのヌクレオチド中の発光標識は、Alexa Fluor(登録商標)555、Cy(登録商標)3B、ATTO542、およびDyLight(登録商標)554-R1を含む。いくつかの実施形態では、1組の4つのヌクレオチド中の発光標識は、Alexa Fluor(登録商標)555、Cy(登録商標)3B、ATTO542、およびAlexa Fluor(登録商標)546を含む。いくつかの実施形態では、1組の4つのヌクレオチド中の発光標識は、Cy(登録商標)3.5、Cy(登録商標)3B、ATTO Rho6G、およびDyLight(登録商標)554-R1を含む。
In some embodiments, the luminescent label in the set of four nucleotides is Alexa Fluor® 546, Cy® 3B, Alexa
Fluor® 555, and Alexa Fluor® 555, and the FRET pair Alexa Fluor® 555 and Cy® 3.5. In some embodiments, the luminescent label in the set of four nucleotides is Alexa Fluor® 555, Cy® 3.5, Alexa
Fluor® 546, and DyLight® 554-R1. In some embodiments, the luminescent labels in the set of four nucleotides are Alexa Fluor® 555, Cy® 3.5, ATTO Rho 6G, and DyLight® 554 - includes R1. In some embodiments, the luminescent label in the set of four nucleotides comprises Alexa Fluor® 555, Cy® 3B, ATTO Rho6G, and DyLight® 554-R1. In some embodiments, the luminescent label in the set of four nucleotides comprises Alexa Fluor® 555, Cy® 3B, ATTO542, and DyLight® 554-R1. In some embodiments, the luminescent labels in the set of four nucleotides include Alexa Fluor® 555, Cy® 3B, ATTO542, and Alexa Fluor® 546. In some embodiments, the luminescent label in the set of four nucleotides comprises Cy®3.5, Cy®3B, ATTO Rho6G, and DyLight®554-R1.
ある実施形態では、発光標識ヌクレオチドのタイプのうちの、少なくとも1つのタイプ、少なくとも2つのタイプ、少なくとも3つのタイプ、または少なくとも4つは、6-TAMRA、5/6-カルボキシローダミン(Carboxyrhodamine)6G、Alexa Fluor(登録商標)546、Alexa Fluor(登録商標)555、Alexa Fluor(登録商標)568、Alexa Fluor(登録商標)610、Alexa Fluor(登録商標)647、アベリオスター(Aberrior Star)635、アット(ATTO)425、ATTO465、ATTO488、ATTO495、ATTO514、ATTO520、ATTO ロー(Rho)6G、ATTO542、ATTO647N、ATTO Rho14、クロミクス(Chromis)630、Chromis654A、クロメオ(Chromeo)(商標)642、CF(商標)514、CF(商標)532、CF(商標)543、CF(商標)546、CF(商標)546、CF(商標)555、CF(商標)568、CF(商標)633、CF(商標)640R、CF(商標)660C、CF(商標)660R、CF(商標)680R、Cy(登録商標)3、Cy(登録商標)3B、Cy(登録商標)3.5、Cy(登録商標)5、Cy(登録商標)5.5、ディオミクス(Dyomics)-530、Dyomics-547P1、Dyomics-549P1、Dyomics-550、Dyomics-554、Dyomics-555、Dyomics-556、Dyomics-560、Dyomics-650、Dyomics-680、DyLight(登録商標)554-R1、DyLight(登録商標)530-R2、DyLight(登録商標)594、DyLight(登録商標)635-B2、DyLight(登録商標)650、DyLight(登録商標)655-B4、DyLight(登録商標)675-B2、DyLight(登録商標)675-B4、DyLight(登録商標)680、ハイライト(HiLyte)(商標)フルオル(Fluor)532、HiLyte(商標)Fluor555、HiLyte(商標)Fluor594、ライトサイクラ(LightCycler)(登録商標)640R、セタ(Seta)(商標)555、Seta(商標)670、Seta(商標)700、Seta(商標)u647、およびSeta(商標)u665からなる群から選択される発光色素を含むか、または本明細書に記載の式(色素101)、(色素102)、(色素103)、(色素104)、(色素105)、もしくは(色素106)である。 In certain embodiments, at least one type, at least two types, at least three types, or at least four of the types of luminescently labeled nucleotides are 6-TAMRA, 5/6-Carboxyrhodamine 6G, Alexa Fluor® 546, Alexa Fluor® 555, Alexa Fluor® 568, Alexa Fluor® 610, Alexa Fluor® 647, Aberrior Star 635, ATTO ) 425, ATTO465, ATTO488, ATTO495, ATTO514, ATTO520, ATTO Rho 6G, ATTO542, ATTO647N, ATTO Rho14, Chromis 630, Chromis 654A, Chromeo™ 642, CF (trademark) 514, CF(TM) 532, CF(TM) 543, CF(TM) 546, CF(TM) 546, CF(TM) 555, CF(TM) 568, CF(TM) 633, CF(TM) 640R, CF( Trademark) 660C, CF(TM) 660R, CF(TM) 680R, Cy(R) 3, Cy(R) 3B, Cy(R) 3.5, Cy(R) 5, Cy(R) ) 5.5, Dyomics-530, Dyomics-547P1, Dyomics-549P1, Dyomics-550, Dyomics-554, Dyomics-555, Dyomics-556, Dyomics-560, Dyomics-650, Dyomics- 680, DyLight ( 554-R1, DyLight ® 530-R2, DyLight ® 594, DyLight ® 635-B2, DyLight ® 650, DyLight ® 655-B4, DyLight ( 675-B2, DyLight® 675-B4, DyLight® 680, HiLyte™ Fluor 532, HiLyte™ Fluor 555, HiLyte™ Fluor 594, Light selected from the group consisting of LightCycler® 640R, Seta™ 555, Seta™ 670, Seta™ 700, Seta™ u647, and Seta™ u665 It comprises a luminescent dye or is of the formulas (Dye 101), (Dye 102), (Dye 103), (Dye 104), (Dye 105), or (Dye 106) described herein.
いくつかの実施形態では、発光標識ヌクレオチドのタイプのうちの、少なくとも1つのタイプ、少なくとも2つのタイプ、少なくとも3つのタイプ、または少なくとも4つは各々、Alexa Fluor(登録商標)546、Alexa Fluor(登録商標)555、Cy(登録商標)3B、Cy(登録商標)3.5、DyLight(登録商標)554-R1、Alexa Fluor(登録商標)546、ATTO Rho6G、ATTO425、ATTO465、ATTO488、ATTO495、ATTO514、ATTO520、ATTO Rho6G、およびATTO542からなる群から選択される発光色素を含む。 In some embodiments, at least one type, at least two types, at least three types, or at least four of the types of luminescently labeled nucleotides are each Alexa Fluor® 546, Alexa Fluor® 555, Cy® 3B, Cy 3.5, DyLight® 554-R1, Alexa Fluor® 546, ATTO Rho6G, ATTO425, ATTO465, ATTO488, ATTO495, ATTO514, It comprises a luminescent dye selected from the group consisting of ATTO520, ATTO Rho6G, and ATTO542.
いくつかの実施形態では、第1のタイプの発光標識ヌクレオチドは、Alexa Fluor(登録商標)546を含み、第2のタイプの発光標識ヌクレオチドは、Cy(登録商標)3Bを含み、第3のタイプの発光標識ヌクレオチドは、2つのAlexa Fluor(登録商標)555を含み、第4のタイプの発光標識ヌクレオチドは、Alexa Fluor(登録商標)555およびCy(登録商標)3.5を含む。 In some embodiments, the first type of luminescent labeled nucleotide comprises Alexa Fluor® 546, the second type of luminescent labeled nucleotide comprises Cy® 3B, and the third type includes two Alexa Fluor® 555, and a fourth type of luminescent labeled nucleotide includes Alexa Fluor® 555 and Cy® 3.5.
いくつかの実施形態では、第1のタイプの発光標識ヌクレオチドは、Alexa Fluor(登録商標)555を含み、第2のタイプの発光標識ヌクレオチドは、Cy(登録商標)3.5を含み、第3のタイプの発光標識ヌクレオチドは、Alexa Fluor(登録商標)546を含み、第4のタイプの発光標識ヌクレオチドは、DyLight(登録商標)554-R1を含む。 In some embodiments, the first type of luminescence-labeled nucleotide comprises Alexa Fluor® 555, the second type of luminescence-labeled nucleotide comprises Cy® 3.5, the third A type of luminescence-labeled nucleotide includes Alexa Fluor® 546 and a fourth type of luminescence-labeled nucleotide includes DyLight® 554-R1.
いくつかの実施形態では、第1のタイプの発光標識ヌクレオチドは、Alexa Fluor(登録商標)555を含み、第2のタイプの発光標識ヌクレオチドは、Cy(登録商標)3.5を含み、第3のタイプの発光標識ヌクレオチドは、ATTO Rho6Gを含み、第4のタイプの発光標識ヌクレオチドは、DyLight(登録商標)554-R1を含む。 In some embodiments, the first type of luminescence-labeled nucleotide comprises Alexa Fluor® 555, the second type of luminescence-labeled nucleotide comprises Cy® 3.5, the third A type of luminescence-labeled nucleotide includes ATTO Rho6G and a fourth type of luminescence-labeled nucleotide includes DyLight® 554-R1.
いくつかの実施形態では、第1のタイプの発光標識ヌクレオチドは、Alexa Fluor(登録商標)555を含み、第2のタイプの発光標識ヌクレオチドは、Cy(登録商標)3Bを含み、第3のタイプの発光標識ヌクレオチドは、ATTO Rho6Gを含み、第4のタイプの発光標識ヌクレオチドは、DyLight(登録商標)554-R1を含む。 In some embodiments, the first type of luminescent-labeled nucleotide comprises Alexa Fluor® 555, the second type of luminescent-labeled nucleotide comprises Cy® 3B, and the third type of includes ATTO Rho6G and a fourth type of luminescent labeled nucleotide includes DyLight® 554-R1.
いくつかの実施形態では、第1のタイプの発光標識ヌクレオチドは、Alexa Fluor(登録商標)555を含み、第2のタイプの発光標識ヌクレオチドは、Cy(登録商標)3Bを含み、第3のタイプの発光標識ヌクレオチドは、ATTO542を含み、第4のタイプの発光標識ヌクレオチドは、DyLight(登録商標)554-R1を含む。 In some embodiments, the first type of luminescent-labeled nucleotide comprises Alexa Fluor® 555, the second type of luminescent-labeled nucleotide comprises Cy® 3B, and the third type of includes ATTO542, and a fourth type of luminescent labeled nucleotide includes DyLight®554-R1.
いくつかの実施形態では、第1のタイプの発光標識ヌクレオチドは、Alexa Fluor(登録商標)555を含み、第2のタイプの発光標識ヌクレオチドは、Cy(登録商標)3Bを含み、第3のタイプの発光標識ヌクレオチドは、ATTO542を含み、第4のタイプの発光標識ヌクレオチドはAlexa Fluor(登録商標)546を含む。 In some embodiments, the first type of luminescent-labeled nucleotide comprises Alexa Fluor® 555, the second type of luminescent-labeled nucleotide comprises Cy® 3B, and the third type of includes ATTO542 and a fourth type of luminescent labeled nucleotide includes Alexa Fluor®546.
いくつかの実施形態では、第1のタイプの発光標識ヌクレオチドは、Cy(登録商標)3.5を含み、第2のタイプの発光標識ヌクレオチドは、Cy(登録商標)3Bを含み、第3のタイプの発光標識ヌクレオチドは、ATTO Rho6Gを含み、第4のタイプの発光標識ヌクレオチドは、DyLight(登録商標)554-R1を含む。 In some embodiments, the first type of luminescent-labeled nucleotide comprises Cy®3.5, the second type of luminescent-labeled nucleotide comprises Cy®3B, and the third type of Types of luminescence-labeled nucleotides include ATTO Rho6G and a fourth type of luminescence-labeled nucleotides includes DyLight® 554-R1.
いくつかの実施形態では、発光標識ヌクレオチドのタイプのうちの、少なくとも1つのタイプ、少なくとも2つのタイプ、少なくとも3つのタイプ、または少なくとも4つは、Alexa Fluor(登録商標)532、Alexa Fluor(登録商標)546、Alexa Fluor(登録商標)555、Alexa Fluor(登録商標)594、Alexa Fluor(登録商標)610、CF(商標)532、CF(商標)543、CF(商標)555、CF(商標)594、Cy(登録商標)3、DyLight(登録商標)530-R2、DyLight(登録商標)554-R1、DyLight(登録商標)590-R2、DyLight(登録商標)594、DyLight(登録商標)610-B1からなる群から選択される発光色素を含むか、または式(色素101)、(色素102)、(色素103)、(色素104)、(色素105)、もしくは(色素106)である。 In some embodiments, at least one type, at least two types, at least three types, or at least four of the types of luminescently labeled nucleotides are Alexa Fluor® 532, Alexa Fluor® ) 546, Alexa Fluor® 555, Alexa Fluor® 594, Alexa Fluor® 610, CF™ 532, CF™ 543, CF™ 555, CF™ 594 , Cy® 3, DyLight® 530-R2, DyLight® 554-R1, DyLight® 590-R2, DyLight® 594, DyLight® 610-B1 or of the formula (dye 101), (dye 102), (dye 103), (dye 104), (dye 105), or (dye 106).
いくつかの実施形態では、第1および第2のタイプの発光標識ヌクレオチドは、Alexa Fluor(登録商標)532、Alexa Fluor(登録商標)546、Alexa Fluor(登録商標)555、CF(商標)532、CF(商標)543、CF(商標)555、Cy(登録商標)3、DyLight(登録商標)530-R2、DyLight(登録商標)554-R1からなる群から選択される発光色素を含み、第3および第4のタイプの発光標識ヌクレオチドは、Alexa Fluor(登録商標)594、Alexa Fluor(登録商標)610、CF(商標)594、DyLight(登録商標)590-R2、DyLight(登録商標)594、DyLight(登録商標)610-B1からなる群から選択される発光色素を含むか、または式(色素101)、(色素102)、(色素103)、(色素104)、(色素105)、もしくは(色素106)である。 In some embodiments, the first and second types of luminescently labeled nucleotides are Alexa Fluor® 532, Alexa Fluor® 546, Alexa Fluor® 555, CF™ 532, A third and a fourth type of luminescent labeled nucleotides are Alexa Fluor® 594, Alexa Fluor® 610, CF™ 594, DyLight® 590-R2, DyLight® 594, DyLight (Dye 101), (Dye 102), (Dye 103), (Dye 104), (Dye 105), or (Dye 106).
ある実施形態では、発光標識ヌクレオチド分子のタイプのうちの、少なくとも1つのタイプ、少なくとも2つのタイプ、少なくとも3つのタイプ、または少なくとも4つは、TagBFP、mTagBFP2、アズライト(Azurite)、EBFP2、mKalama1、シリウス(Sirius)、サファイア(Sapphire)、T-Sapphire、ECFP、セルリーン(Cerulean)、SCFP3A、mTurquoise、mTurquoise2、単量体Midoriishi-Cyan、TagCFP、mTFP1、EGFP、エメラルド(Emerald)、スーパーフォルダ(Superfolder)GFP、単量体アズミグリーン(Azami Green)、TagGFP2、mUKG、mWasabi、クローバ(Clover)、mNeonGreen、EYFP、シトリン(Citrine)、ヴィーナス(Venus)、SYFP2、TagYFP、単量体クサビラ-オレンジ(Kusabira-Orange)、mKOK、mKO2、mOrange、mOrange2、mRaspberry、mCherry、mStrawberry、mTangerine、tdTomato、TagRFP、TagRFP-T、mApple、mRuby、mRuby2、mPlum、HcRed-Tandem、mKate2、mNeptune、NirFP、TagRFP657、IFP1.4、iRFP、mKeima Red、LSS-mKate1、LSS-mKate2、mBeRFP、PA-GFP、PAmCherry1、PATagRFP、カエデ(Kaede)(緑色)、カエデ(Kaede)(赤色)、KikGR1(緑色)、KikGR1(赤色)、PS-CFP2、mEos2(緑色)、mEos2(赤色)、PSmOrange、またはドロンパ(Dronpa)からなる群から選択される発光タンパク質を含む。 In certain embodiments, at least one type, at least two types, at least three types, or at least four of the types of luminescently labeled nucleotide molecules are TagBFP, mTagBFP2, Azurite, EBFP2, mKalama1, Sirius (SIRIUS), sapphire, T -SAPPHIRE, ECFP, Cerulean (Cerulean), SCFP3A, MTURQUOOISE, MTURQUOOISE2, single quantity MIDORIISHI -CYAN, TAGCFP, MTFP1, EGFP, Emerald, Super Folder (SUPERFOLDER) GFP , monomeric Azami Green, TagGFP2, mUKG, mWasabi, Clover, mNeonGreen, EYFP, Citrine, Venus, SYFP2, TagYFP, monomeric Kusabira-Orange ), mKOK, mKO2, mOrange, mOrange2, mRaspberry, mCherry, mStrawberry, mTangerine, tdTomato, TagRFP, TagRFP-T, mApple, mRuby, mRuby2, mPlum, HcRed-Tandem, mK ate2, mNeptune, NirFP, TagRFP657, IFP1.4, iRFP, mKeima Red, LSS-mKate1, LSS-mKate2, mBeRFP, PA-GFP, PAmCherry1, PATagRFP, Kaede (green), Kaede (red), KikGR1 (green), KikGR1 (red), PS - containing a photoprotein selected from the group consisting of CFP2, mEos2 (green), mEos2 (red), PSmOrange, or Dronpa.
本出願の態様は、識別しようとする分子に対して励起エネルギーを加え、励起後の放射光子を検出するための方法、ならびにそのような方法に有用なシステムおよびデバイスを提供する。ある実施形態では、検出は、各検出された発光について、発光と事前の励起エネルギーのパルスとの間の経過時間を記録することを含む。ある実施形態では、検出は、複数の検出された発光の各々について、発光と事前の励起エネルギーのパルスとの間の経過時間を記録することを含む。ある実施形態では、励起エネルギーの複数のパルスが加えられる。識別しようとする分子の発光マーカーは、上記パルスの各パルスまたはその部分により励起されることが可能である。ある実施形態では、複数の発光が、1つまたは複数のセンサにより検出される。識別しようとする分子の発光マーカーは、各励起または励起の部分の後で発光を放射してもよい。発光をもたらす励起事象の割合は、マーカーの発光量子収量に基づく。いくつかの実施形態では、発光マーカーを含む発光分子の数を増加させると、量子収量を増加させることができる(例えば、発光放射の数を増加させることができる)。加えて、マーカーにより放射された発光が全て検出されるとは限らないだろう。例えば、いくつかの発光は、センサから遠ざかるように向かうだろう。ある実施形態では、1つまたは複数の励起エネルギーは、吸収スペクトル、および所与のスペクトル範囲での励起後にマーカーが光子を放射する波長を含む、発光マーカーの発光特性に基づいて選択される。 Aspects of the present application provide methods for applying excitation energy to molecules to be identified and detecting emitted photons after excitation, as well as systems and devices useful in such methods. In certain embodiments, detecting includes recording, for each detected luminescence, the elapsed time between the luminescence and the prior pulse of excitation energy. In certain embodiments, detecting includes recording, for each of the plurality of detected emissions, the elapsed time between the emission and the prior pulse of excitation energy. In some embodiments, multiple pulses of excitation energy are applied. A luminescent marker of the molecule to be identified can be excited by each of the pulses or portions thereof. In some embodiments, multiple emissions are detected by one or more sensors. A luminescent marker of a molecule to be identified may emit luminescence after each excitation or portion of the excitation. The rate of excitation events that result in luminescence is based on the luminescence quantum yield of the marker. In some embodiments, increasing the number of luminescent molecules comprising a luminescent marker can increase the quantum yield (eg, can increase the number of luminescent emissions). Additionally, not all luminescence emitted by the marker will be detected. For example, some emissions will be directed away from the sensor. In certain embodiments, one or more excitation energies are selected based on emission properties of the luminescent marker, including absorption spectra and wavelengths at which the marker emits photons upon excitation in a given spectral range.
ある実施形態では、パルス励起エネルギーの周波数は、検出しようとする発光標識分子の発光特性(例えば、発光寿命)に基づいて選択される。いくつかの実施形態では、パルス間の間隔は、励起されている1つまたは複数の発光標識分子の発光寿命よりも長い。いくつかの実施形態では、間隔は、励起されている1つまたは複数の発光標識分子の発光寿命よりも、約2倍~約10倍、約10倍~約100倍、または約100倍から約1000倍長い。いくつかの実施形態では、間隔は、励起されている1つまたは複数の発光標識分子の発光寿命よりも約10倍長い。 In certain embodiments, the frequency of pulsed excitation energy is selected based on the emission properties (eg, emission lifetime) of the luminescent label molecule to be detected. In some embodiments, the interval between pulses is longer than the emission lifetime of the one or more luminescent labeled molecules being excited. In some embodiments, the spacing is about 2 to about 10 times, about 10 to about 100 times, or about 100 to about 10 times longer than the emission lifetime of one or more luminescent label molecules being excited. 1000 times longer. In some embodiments, the interval is about 10 times longer than the emission lifetime of the one or more luminescent labeled molecules being excited.
ある実施形態では、パルス励起エネルギーの周波数は、モニターされている化学プロセスに基づいて選択される。配列決定反応の場合、発光標識ヌクレオチドの組み込み中に標的容積部に加えられるパルスの数は、検出される放射光子の数を部分的に決定することになる。いくつかの実施形態では、周波数は、発光標識ヌクレオチドの組み込み中に十分な数の光子が検出されることができるように選択され、十分な数とは、複数のタイプの発光標識ヌクレオチドの中から、その発光標識ヌクレオチドを判別するのに必要な光子の数である。いくつかの実施形態では、発光標識ヌクレオチドは、放射光子の波長に基づいて判別される。いくつかの実施形態では、発光標識ヌクレオチドは、発光放射寿命、例えば、パルス励起と放射検出との間の時間に基づいて判別される。いくつかの実施形態では、発光標識ヌクレオチドは、放射光子の波長および発光放射寿命に基づいて判別される。いくつかの実施形態では、発光標識ヌクレオチドは、放射シグナルの発光強度に基づいて(例えば、放射の周波数またはある期間内の放射事象の総数に基づいて)判別される。いくつかの実施形態では、発光標識ヌクレオチドは、放射シグナルの発光強度および発光寿命に基づいて判別される。いくつかの実施形態では、発光標識ヌクレオチドは、発光強度および波長に基づいて判別される。いくつかの実施形態では、発光標識ヌクレオチドは、発光強度、波長、および発光寿命に基づいて判別される。 In some embodiments, the frequency of pulsed excitation energy is selected based on the chemical process being monitored. For sequencing reactions, the number of pulses applied to the target volume during incorporation of luminescently labeled nucleotides will partially determine the number of emitted photons detected. In some embodiments, the frequency is selected such that a sufficient number of photons can be detected during incorporation of the luminescently labeled nucleotides, a sufficient number being among multiple types of luminescently labeled nucleotides. , is the number of photons required to discriminate that luminescently labeled nucleotide. In some embodiments, luminescently labeled nucleotides are distinguished based on the wavelength of emitted photons. In some embodiments, luminescent-labeled nucleotides are distinguished based on their luminescent radiative lifetime, eg, the time between pulsed excitation and radiative detection. In some embodiments, a luminescently labeled nucleotide is distinguished based on the wavelength of the emitted photon and the emission radiative lifetime. In some embodiments, a luminescently labeled nucleotide is distinguished based on the luminescent intensity of the emitted signal (eg, based on the frequency of emission or the total number of emitted events within a period of time). In some embodiments, luminescently labeled nucleotides are distinguished based on the emission intensity and emission lifetime of the emitted signal. In some embodiments, luminescently labeled nucleotides are distinguished based on emission intensity and wavelength. In some embodiments, luminescent-labeled nucleotides are distinguished based on luminescence intensity, wavelength, and luminescence lifetime.
本出願の一態様によると、励起源モジュールおよび一体型デバイスを含むシステムが提供される。励起源モジュールは、第1の継続期間を有する励起エネルギーのパルスを放射するように構成されている励起源を含む。一体型デバイスは、励起エネルギーのパルスとカップリングされた際に発光を放射する分子を受容するように構成されている標的容積部;励起エネルギーのパルスがエネルギー源カップリング部品から標的容積部まで移動する第1のエネルギー経路;上記第1の継続期間よりも長い第2の継続期間にわたって発光を検出するセンサ;発光が標的容積部からセンサまで移動する第2のエネルギー経路;および励起エネルギーのパルスが、励起源からエネルギー源カップリング部品まで移動する第3のエネルギー経路を含む。 According to one aspect of the present application, a system is provided that includes an excitation source module and an integrated device. The excitation source module includes an excitation source configured to emit pulses of excitation energy having a first duration. The integrated device is configured to receive a target volume that emits luminescence when coupled with a pulse of excitation energy; the pulse of excitation energy travels from the energy source coupling component to the target volume. a sensor detecting luminescence over a second duration longer than said first duration; a second energy pathway in which luminescence travels from the target volume to the sensor; and a pulse of excitation energy is , including a third energy path traveling from the excitation source to the energy source coupling component.
本出願の別の態様によると、標的容積部およびセンサを備える一体型デバイスが提供される。標的容積部は、各々が異なる寿命値を有する複数の発光マーカーの1つで標識されている試料を受容するように構成されている。センサは、複数の発光マーカーの1つからの発光を、複数の経過時間にわたって検出するように構成されている。複数の経過時間は、複数の発光マーカーを区別するように選択される。 According to another aspect of the present application, an integrated device comprising a target volume and a sensor is provided. The target volume is configured to receive a sample labeled with one of a plurality of luminescent markers each having a different lifetime value. A sensor is configured to detect luminescence from one of the plurality of luminescent markers over a plurality of elapsed times. Multiple elapsed times are selected to distinguish multiple luminescent markers.
本出願の別の態様によると、標的容積部および複数のセンサを備える一体型デバイスが提供される。標的容積部は、複数の発光マーカーの1つで標識されている試料を受容するように構成されている。複数の発光マーカーの各々は、複数のスペクトル範囲の1つ内にて発光を放射し、複数のスペクトル範囲の1つにて発光を放射する複数の発光マーカーの部分は各々、異なる発光寿命を有する。複数のセンサの各センサは、複数の経過時間にわたって複数のスペクトル範囲の1つを検出するように構成されており、複数の経過時間は、複数の発光マーカーの部分を区別するように選択される。 According to another aspect of the present application, an integrated device comprising a target volume and multiple sensors is provided. A target volume is configured to receive a sample labeled with one of a plurality of luminescent markers. Each of the plurality of luminescent markers emits luminescence within one of the plurality of spectral ranges, and portions of the plurality of luminescent markers that emit luminescence in one of the plurality of spectral ranges each have a different luminescence lifetime. . Each sensor of the plurality of sensors is configured to detect one of the plurality of spectral ranges over a plurality of elapsed times, the plurality of elapsed times selected to distinguish portions of the plurality of luminescent markers. .
本出願の別の態様によると、複数の励起源および一体型デバイスを備えるシステムが提供される。複数の励起源は、複数の励起エネルギーを放射する。複数の励起源の各々は、複数の励起エネルギーの1つのパルスを放射する。一体型デバイスは、複数の発光マーカーの1つで標識されている試料を受容するように構成されている標的容積部;および複数の励起エネルギーの1つのパルス後の複数の経過時間にわたって、複数の発光マーカーの1つからの発光を検出するように構成されているセンサを含む。複数の励起エネルギーの1つにより照射された後で発光を放射する複数の発光マーカーの部分は各々、異なる寿命値を有する。パルス事象と発光放射との間の所要期間の複数のデータタイミングの蓄積は、複数の発光マーカーを区別する。 According to another aspect of the present application, a system is provided that includes multiple excitation sources and an integrated device. Multiple excitation sources emit multiple excitation energies. Each of the multiple excitation sources emits one pulse of multiple excitation energies. The integrated device comprises a target volume configured to receive a sample labeled with one of a plurality of luminescent markers; A sensor configured to detect luminescence from one of the luminescent markers is included. Each portion of the plurality of luminescent markers that emits luminescence after being illuminated by one of the plurality of excitation energies has a different lifetime value. Accumulation of multiple data timings for the duration between the pulse event and the luminescence emission distinguishes multiple luminescence markers.
本出願の別の態様によると、標的核酸を配列決定するための方法が提供される。いくつかの実施形態では、標的核酸を配列決定するための方法は、以下の工程を備える:(i)(a)前記標的核酸、(b)前記標的核酸に相補的なプライマー、(c)核酸ポリメラーゼ、および(d)前記標的核酸に相補的な成長中の核酸鎖に組み込むためのヌクレオチドを含む混合物を用意する工程であって、前記ヌクレオチドが、異なるタイプの発光標識ヌクレオチドを含み、前記発光標識ヌクレオチドが、前記成長中の核酸鎖への順次組み込み中に検出可能なシグナルを産出し、前記異なるタイプの発光標識ヌクレオチドからの検出可能なシグナルが、時間領域で互いに区別可能である(例えば、検出可能なシグナルのタイミングおよび/または周波数を決定することにより)、工程、(ii)前記プライマーを伸長させることにより前記成長中の核酸鎖を産出するのに十分な条件下で、(i)の前記混合物を重合反応に供する工程、(iii)前記成長中の核酸鎖への順次組み込み中に、前記発光標識ヌクレオチドからの前記検出可能なシグナルを測定する工程、ならびに(iv)前記成長中の核酸鎖への順次組み込み時に前記発光標識ヌクレオチドからの前記測定された検出可能なシグナルのタイミングおよび/または周波数を決定して、前記成長中の核酸鎖への前記発光標識ヌクレオチドの組み込みの時系列を識別し、それにより前記標的核酸の配列を決定する工程。 According to another aspect of the application, a method is provided for sequencing a target nucleic acid. In some embodiments, a method for sequencing a target nucleic acid comprises the steps of: (i) (a) said target nucleic acid, (b) primers complementary to said target nucleic acid, (c) nucleic acid providing a mixture comprising a polymerase and (d) nucleotides for incorporation into a growing nucleic acid strand complementary to said target nucleic acid, said nucleotides comprising different types of luminescent labeled nucleotides, said luminescent labeled Nucleotides produce a detectable signal during sequential incorporation into the growing nucleic acid strand, and detectable signals from the different types of luminescently labeled nucleotides are distinguishable from each other in the time domain (e.g., detection by determining the timing and/or frequency of possible signals), step (ii) under conditions sufficient to produce said growing nucleic acid strand by extending said primer, said subjecting the mixture to a polymerization reaction, (iii) measuring the detectable signal from the luminescently labeled nucleotides during sequential incorporation into the growing nucleic acid strand, and (iv) the growing nucleic acid strand. determining the timing and/or frequency of the measured detectable signal from the luminescent-labeled nucleotides upon sequential incorporation into the growing nucleic acid strand to identify the timeline of incorporation of the luminescent-labeled nucleotides into the growing nucleic acid strand; , thereby determining the sequence of said target nucleic acid.
いくつかの実施形態では、標的核酸または核酸ポリメラーゼは、支持体に付着している。いくつかの実施形態では、組み込みの時系列は、(i)の混合物を重合反応に供した後で識別される。いくつかの実施形態では、検出可能なシグナルは、光学的シグナルである。いくつかの実施形態では、光学的シグナルは、発光シグナルである。いくつかの実施形態では、測定された検出可能なシグナルのタイミングおよび/または周波数の決定は、(i)前記検出可能なシグナルを1つまたは複数のセンサで受信する工程、および(ii)前記1つまたは複数のセンサで受信した前記検出可能なシグナルに応答して生成される複数の電荷担体の電荷担体を、前記電荷担体が生成された時間に基づいて、少なくとも1つの電荷担体保管領域内へと選択的に向かわせる工程を備える。 In some embodiments, the target nucleic acid or nucleic acid polymerase is attached to a support. In some embodiments, the time series of incorporation is identified after subjecting the mixture of (i) to a polymerization reaction. In some embodiments the detectable signal is an optical signal. In some embodiments, the optical signal is a luminescent signal. In some embodiments, determining the timing and/or frequency of the measured detectable signal comprises the steps of: (i) receiving said detectable signal at one or more sensors; and (ii) said one charge carriers of a plurality of charge carriers generated in response to the detectable signals received at one or more sensors into at least one charge carrier storage area based on the time the charge carriers were generated; and the step of selectively directing.
いくつかの実施形態では、前記測定された検出可能なシグナルのタイミングおよび/または周波数は、減衰寿命の測定値を含む。いくつかの実施形態では、測定された検出可能なシグナルのタイミングおよび/または周波数は、検出可能なシグナルを検出する1つまたは複数のセンサにおける、検出可能なシグナルの到着時間の測定値を含む。いくつかの実施形態では、上記方法は、検出可能なシグナルにより生成された電荷担体を、検出可能なシグナルの到達時間に基づいて、1つまたは複数のセンサと関連付けられているビンに分離する工程をさらに備える。いくつかの実施形態では、測定された検出可能なシグナルのタイミングおよび/または周波数は、非スペクトル測定値である。 In some embodiments, the measured timing and/or frequency of the detectable signal comprises a decay lifetime measurement. In some embodiments, the measured timing and/or frequency of the detectable signal comprises a measurement of the time of arrival of the detectable signal at one or more sensors that detect the detectable signal. In some embodiments, the method comprises separating charge carriers generated by the detectable signal into bins associated with one or more sensors based on time of arrival of the detectable signal. further provide. In some embodiments, the measured timing and/or frequency of detectable signals are non-spectral measurements.
当業者であれば、本明細書に記載されている図面は図示のためにすぎないことを理解するであろう。ある場合には、本発明の理解を容易にするために、本発明の様々な態様を誇張してまたは拡大して表すことがあると理解されたい。図面では、同様の参照符号は、一般に、様々な図を通して、同様の特色、機能的に類似および/または構造的に類似の要素を指す。図面は必ずしも縮尺ではなく、むしろ教示の原理を図示することに重点が置かれている。図面は、決して、本教示の範囲を限定する意図はない。 Those skilled in the art will understand that the drawings described herein are for illustration only. In some cases, it should be understood that various aspects of the invention may be exaggerated or exaggerated in order to facilitate understanding of the invention. In the drawings, like reference numbers generally refer to like features, functionally similar and/or structurally similar elements throughout the various views. The drawings are not necessarily to scale, emphasis rather being placed upon illustrating the principles of teaching. The drawings are in no way intended to limit the scope of the present teachings.
本発明の特色および利点は、図面と併せれば、以下に述べる詳細な説明からさらに明らかになるであろう。
図面を参照して実施形態を説明する場合、方向の参照(「上」、「下」、「頂部」、「底部」、「左」、「右」、「水平」、「垂直」など)を使用してもよい。そのような参照は単に、読者が図面を通常の向きで見ることを助けることを意図するものに過ぎない。これらの指向性の参照は、具現化されたデバイスの好ましい向きまたは唯一の向きを記述することを意図するものではない。デバイスは、他の向きで具現化されてもよい。
The features and advantages of the present invention will become more apparent from the detailed description set forth below when taken in conjunction with the drawings.
When describing embodiments with reference to the drawings, directional references (such as “top,” “bottom,” “top,” “bottom,” “left,” “right,” “horizontal,” “vertical,” etc.) are used. may be used. Such references are merely intended to assist the reader in viewing the drawings in their normal orientation. These directional references are not intended to describe preferred or sole orientations of embodied devices. The device may be embodied in other orientations.
詳細な説明から明らかなように、図面(例えば、図1~図37)に示され、本出願を通して図示の目的でさらに説明されている例は、非限定的な実施形態を記載しており、場合によっては、より明確に図示する目的のために、ある一定のプロセスを単純化するか、または特色もしくはステップを省略し得る。 As will become apparent from the detailed description, the examples shown in the drawings (e.g., FIGS. 1-37) and further described for purposes of illustration throughout this application describe non-limiting embodiments, In some cases, certain processes may be simplified or features or steps omitted for the purpose of more clear illustration.
(詳細な説明)
本発明者らは、単一分子を、その分子の1つまたは複数の発光特性に基づいて識別するための新しい方法、組成物、およびデバイスを開発した。いくつかの実施形態では、分子は、その発光寿命、吸収スペクトル、放射スペクトル、発光量子収量、発光強度、またはそれらの2つ以上の組合せに基づいて識別される。識別は、分子の正確な分子同一性を帰属させることを意味してもよく、または1組の考え得る分子から特定の分子を判別または区別することを意味してもよい。いくつかの実施形態では、分子は、異なる発光寿命、吸収スペクトル、放射スペクトル、発光量子収量、発光強度、またはそれらの2つ以上の組合せに基づいて、互いに判別されることが可能である。いくつかの実施形態では、単一分子は、分子を一連の個別の光パルスに曝露し、分子から放射される各光子のタイミングまたは他の特性を評価することにより識別される(例えば、他の分子と判別される)。いくつかの実施形態では、単一分子から順次放射される複数の光子の情報が統合および評価されて分子が識別される。いくつかの実施形態では、分子の発光寿命は、分子から順次放射される複数の光子から決定され、発光寿命は、分子を識別するために使用されることが可能である。いくつかの実施形態では、分子の発光強度は、分子から順次放射される複数の光子から決定され、発光強度は、分子を識別するために使用されることが可能である。いくつかの実施形態では、分子の発光寿命および発光強度は、分子から順次放射される複数の光子から決定され、発光寿命および発光強度は、分子を識別するために使用されることが可能である。
(detailed explanation)
The inventors have developed new methods, compositions, and devices for identifying single molecules based on one or more of their luminescent properties. In some embodiments, molecules are identified based on their emission lifetime, absorption spectrum, emission spectrum, emission quantum yield, emission intensity, or a combination of two or more thereof. Identification may mean ascribed the exact molecular identity of a molecule, or it may mean discriminating or distinguishing a particular molecule from a set of possible molecules. In some embodiments, molecules can be distinguished from each other based on different emission lifetimes, absorption spectra, emission spectra, emission quantum yields, emission intensities, or combinations of two or more thereof. In some embodiments, single molecules are identified by exposing the molecule to a series of discrete light pulses and assessing the timing or other properties of each photon emitted from the molecule (e.g., other molecules). In some embodiments, the information of multiple photons emitted sequentially from a single molecule is integrated and evaluated to identify the molecule. In some embodiments, the luminescence lifetime of a molecule is determined from multiple photons sequentially emitted from the molecule, and the luminescence lifetime can be used to identify the molecule. In some embodiments, the emission intensity of a molecule is determined from multiple photons sequentially emitted from the molecule, and the emission intensity can be used to identify the molecule. In some embodiments, the luminescence lifetime and luminescence intensity of a molecule are determined from a plurality of photons sequentially emitted from the molecule, and the luminescence lifetime and luminescence intensity can be used to identify the molecule. .
本出願の一態様は、1つまたは複数の生物学的または化学的分子を検出および/または識別するのに有用である。いくつかの実施形態では、化学的または生物学的反応は、1つまたは複数の時点にて、1つまたは複数の試薬または産物の存在または非存在を決定することにより評価されることが可能である。 One aspect of the present application is useful for detecting and/or identifying one or more biological or chemical molecules. In some embodiments, a chemical or biological reaction can be assessed by determining the presence or absence of one or more reagents or products at one or more time points. be.
本出願の一態様では、分子を光に曝露し、分子から放射される1つまたは複数の光子の1つまたは複数の特性を決定することにより分子を調査する。本出願のある態様では、分子を光のパルスに曝露し、分子から放射される光子の1つまたは複数の特性を決定することにより、分子が調査される。いくつかの実施形態では、分子を複数の個別の光パルス事象に曝露し、個別の光パルス事象の後で放射される個別の光子の1つまたは複数の特性が決定される。いくつかの実施形態では、分子は、各光パルスに応答して光子を放射しない。しかしながら、複数の放射光子は、分子を一連の個別の光パルスに曝露し、光パルス事象のサブセットの後で放射される個別の光子(例えば、パルス事象の約10%の後で放射される光子、またはパルス事象の約1%の後で放射される光子)を評価することにより評価されることが可能である。 In one aspect of the present application, molecules are probed by exposing them to light and determining one or more properties of one or more photons emitted from the molecule. In certain aspects of the application, molecules are probed by exposing them to pulses of light and determining one or more properties of the photons emitted from the molecule. In some embodiments, the molecule is exposed to multiple individual light pulse events and one or more properties of the individual photons emitted after the individual light pulse events are determined. In some embodiments, the molecule does not emit photons in response to each light pulse. However, multiple emitted photons expose the molecule to a series of individual light pulses, with individual photons emitted after a subset of the light pulse events (e.g., photons emitted after about 10% of the pulse events). , or photons emitted after about 1% of the pulse event).
本出願の一態様は、1つまたは複数の時点にて、1つまたは複数の試薬、中間体、および/または産物の存在または非存在を決定することにより、化学的または生物学的反応をモニターするのに有用である。いくつかの実施形態では、経時的な反応の進行は、反応試料を一連の個別の光パルスに曝露し、各光パルスの後で検出される任意の放射光子を分析することにより分析されることが可能である。 One aspect of the present application monitors chemical or biological reactions by determining the presence or absence of one or more reagents, intermediates, and/or products at one or more time points. It is useful to In some embodiments, the progress of the reaction over time is analyzed by exposing the reaction sample to a series of discrete light pulses and analyzing any emitted photons detected after each light pulse. is possible.
したがって、本出願のいくつかの態様では、反応試料を複数の個別の光パルスに曝露し、一連の放射光子が検出および分析される。いくつかの実施形態では、一連の放射光子は、反応試料に存在し、実験時間にわたって変化しない単一分子に関する情報を提供する。しかしながら、いくつかの実施形態では、一連の放射光子は、異なる時点にて(例えば、反応またはプロセスが進行すると共に)反応試料中に存在する一連の異なる分子に関する情報を提供する。 Thus, in some aspects of the present application, a reaction sample is exposed to multiple discrete pulses of light and a series of emitted photons are detected and analyzed. In some embodiments, the train of emitted photons provides information about single molecules present in the reaction sample that do not change over the time of the experiment. However, in some embodiments, a series of emitted photons provides information about a series of different molecules present in the reaction sample at different times (eg, as the reaction or process progresses).
いくつかの実施形態では、本出願の一態様は、生物学的試料を分析するために、例えば、試料中の1つまたは複数の核酸またはポリペプチドの配列を決定するために、および/または試料中の1つまたは複数の核酸またはポリペプチド変異体(例えば、目的の遺伝子の1つまたは複数の突然変異)の存在または非存在を決定するために使用されることが可能である。いくつかの実施形態では、診断、予後、および/もしくは治療のために、核酸配列情報を提供するため、または1つまたは複数の目的核酸の存在または非存在を決定するために、患者試料(例えば、ヒト患者試料)に対して検査が実施される。いくつかの例では、診断検査には、例えば、対象の生物学的試料中の無細胞デオキシリボ核酸(DNA)分子および/または発現産物(例えば、リボ核酸(RNA))を配列決定することにより、対象の生物学的試料中の核酸分子を配列決定することを含む。 In some embodiments, one aspect of the present application is to analyze a biological sample, e.g., to determine the sequence of one or more nucleic acids or polypeptides in the sample, and/or It can be used to determine the presence or absence of one or more nucleic acid or polypeptide variants (eg, one or more mutations of a gene of interest) in the medium. In some embodiments, patient samples (e.g., , human patient samples). In some instances, diagnostic tests include, for example, sequencing cell-free deoxyribonucleic acid (DNA) molecules and/or expression products (e.g., ribonucleic acid (RNA)) in a subject's biological sample. Sequencing nucleic acid molecules in the subject's biological sample.
いくつかの実施形態では、発光寿命および/または強度を使用して分析中の(例えば、調査および/または識別中の)1つまたは複数の分子は、標識分子(例えば、1つまたは複数の発光マーカーで標識されている分子)でもよい。いくつかの実施形態では、生体分子の個々のサブユニットが、マーカーを使用して識別されてもよい。いくつかの例では、発光マーカーが、生体分子の個々のサブユニットを識別するために使用されてもよい。いくつかの実施形態では、発光マーカー(本明細書では「マーカー」とも呼ばれる)が使用される。発光マーカーは、外因性マーカーであってもよくまたは内因性マーカーであってもよい。外因性マーカーは、発光標識用のリポーターおよび/またはタグとして使用される外部発光マーカーであってもよい。外因性マーカーの例としては、これらに限定されないが、蛍光分子、フルオロフォア、蛍光色素、蛍光染色剤、有機色素、蛍光タンパク質、蛍光共鳴エネルギー転移(FRET)に寄与する種、酵素、および/または量子ドットを挙げることができる。当技術分野では他の外因性マーカーも公知である。そのような外因性マーカーは、特定の標的または成分と特異的に結合するプローブまたは官能基(例えば、分子、イオン、および/またはリガンド)とコンジュゲートされていてもよい。外因性タグまたはリポーターをプローブと付着させることにより、外因性タグまたはリポーターの存在の検出による標的の識別が可能になる。プローブの例としては、タンパク質、核酸(例えば、DNA、RNA)分子、脂質、および抗体プローブを挙げることができる。外因性マーカーおよび官能基を組み合わせると、分子プローブ、標識プローブ、ハイブリダイゼーションプローブ、抗体プローブ、タンパク質プローブ(例えば、ビオチン結合プローブ)、酵素標識、蛍光プローブ、蛍光タグ、および/または酵素リポーターを含む、検出に使用される任意の好適なプローブ、タグ、プローブ、および/または標識を形成することができる。 In some embodiments, one or more molecules being analyzed (e.g., interrogated and/or identified) using luminescence lifetime and/or intensity are labeled molecules (e.g., one or more luminescence molecules labeled with markers). In some embodiments, individual subunits of biomolecules may be identified using markers. In some examples, luminescent markers may be used to identify individual subunits of biomolecules. In some embodiments, luminescent markers (also referred to herein as "markers") are used. A luminescent marker can be an exogenous marker or an endogenous marker. Exogenous markers may be exogenous luminescent markers used as reporters and/or tags for luminescent labels. Examples of exogenous markers include, but are not limited to, fluorescent molecules, fluorophores, fluorescent dyes, fluorescent dyes, organic dyes, fluorescent proteins, species that contribute to fluorescence resonance energy transfer (FRET), enzymes, and/or Quantum dots can be mentioned. Other exogenous markers are known in the art. Such exogenous markers may be conjugated to probes or functional groups (eg, molecules, ions, and/or ligands) that specifically bind to particular targets or moieties. Attaching an exogenous tag or reporter to the probe allows target identification by detection of the presence of the exogenous tag or reporter. Examples of probes can include protein, nucleic acid (eg, DNA, RNA) molecules, lipids, and antibody probes. Combinations of exogenous markers and functional groups include molecular probes, labeled probes, hybridization probes, antibody probes, protein probes (e.g., biotin-conjugated probes), enzymatic labels, fluorescent probes, fluorescent tags, and/or enzymatic reporters. Any suitable probes, tags, probes and/or labels used for detection can be formed.
本開示では、発光マーカーが参照されているが、本明細書で提供されているデバイス、システム、および方法と共に、他のタイプのマーカーが使用されてもよい。そのようなマーカーは、質量タグ、静電気タグ、電気化学標識、またはそれらの任意の組合せであってもよい。 Although this disclosure refers to luminescent markers, other types of markers may be used with the devices, systems, and methods provided herein. Such markers may be mass tags, electrostatic tags, electrochemical labels, or any combination thereof.
外因性マーカーは、試料に添加されてもよく、内因性マーカーは、既に試料の一部であってもよい。内因性マーカーとしては、励起エネルギーの存在下で発光または「自己蛍光」することができる、存在するあらゆる発光マーカーを挙げることができる。内因性フルオロフォアの自己蛍光は、外因性フルオロフォアの導入を必要とせず、無標識で非侵襲性の標識を提供することができる。そのような内因性フルオロフォアの例としては、ヘモグロビン、オキシヘモグロビン、脂質、コラーゲンおよびエラスチン架橋、還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド(NADH)、酸化型フラビン(FADおよびFMN)、リポフスチン、ケラチン、ならびに/またはポルフィリンを挙げることができるが、これらは例として挙げられており、限定ではない。 Exogenous markers may be added to the sample and endogenous markers may already be part of the sample. Endogenous markers can include any luminescent marker present that is capable of luminescence or "autofluorescence" in the presence of excitation energy. Autofluorescence of endogenous fluorophores can provide label-free, non-invasive labeling without the need for introduction of exogenous fluorophores. Examples of such endogenous fluorophores include hemoglobin, oxyhemoglobin, lipids, collagen and elastin crosslinks, reduced nicotinamide adenine dinucleotide (NADH), oxidized flavins (FAD and FMN), lipofuscin, keratin, and/or or porphyrins, which are given by way of example and not limitation.
本発明者らは、単一分子検出および/または核酸配列決定を実施するための単純でより簡単な装置が必要とされていることを認識したうえで、複数の組の発光タグ(例えば、発光マーカー、発光標識)を使用して異なる分子を標識する、単一分子を検出するための技法に想到した。そのような単一分子は、タグを有するヌクレオチドまたはアミノ酸であってもよい。タグは、単一分子と結合されている状態で検出されてもよく、その単一分子から放出される際に検出されてもよく、または単一分子と結合されている状態でおよび単一分子から放出される際に検出されてもよい。いくつかの例では、タグは、発光タグである。選択された組の各発光タグは、それぞれの分子と関連付けられている。例えば、1組の4つのタグは、DNAに存在する核酸塩基を「標識」するために使用されてよい。この組の各タグは、異なる核酸塩基と関連付けられており、例えば、第1のタグはアデニン(A)と関連付けられており、第2のタグは、シトシン(C)と関連付けられており、第3のタグは、グアニン(G)と関連付けられており、第4のタグは、チミン(T)と関連付けられている。さらに、この組のタグの発光タグの各々は、この組の第1のタグをこの組の他のタグと判別するために使用されることができる異なる特性を有する。このようにして、各タグは、こうした判別特徴の1つまたは複数を使用して一意的に識別可能である。例として挙げられているものであり、限定ではないが、1つのタグを別のタグと判別するために使用されることが可能なタグの特徴としては、励起エネルギーに応答してタグにより放射される光の放射エネルギーおよび/または波長、特定のタグにより吸収されて、そのタグを励起状態にする励起光の波長、および/またはそのタグの放射寿命を挙げることができる。 The inventors recognize that there is a need for simpler and easier devices for performing single-molecule detection and/or nucleic acid sequencing. We have come up with techniques for single molecule detection that use markers, luminescent labels) to label different molecules. Such a single molecule may be a nucleotide or amino acid with a tag. A tag may be detected bound to a single molecule, detected upon release from that single molecule, or bound to and from a single molecule. may be detected as it is emitted from the In some examples, the tag is a luminescent tag. Each luminescent tag in the selected set is associated with a respective molecule. For example, a set of four tags may be used to "label" a nucleobase present in DNA. Each tag in the set is associated with a different nucleobase, e.g., the first tag is associated with adenine (A), the second tag is associated with cytosine (C), the second tag is associated with A third tag is associated with guanine (G) and a fourth tag is associated with thymine (T). Additionally, each of the light emitting tags in the set of tags has different properties that can be used to distinguish the first tag in the set from the other tags in the set. In this manner, each tag is uniquely identifiable using one or more of these distinguishing features. By way of example, and not limitation, tag characteristics that can be used to distinguish one tag from another include the characteristics emitted by the tag in response to excitation energy. the radiant energy and/or wavelength of the light that is emitted, the wavelength of the excitation light that is absorbed by a particular tag and places that tag in an excited state, and/or the radiative lifetime of that tag.
配列決定
本出願のいくつかの態様は、核酸およびタンパク質等の生物学的ポリマーの配列決定に有用である。いくつかの実施形態では、本出願に記載されている方法、組成物、およびデバイスは、核酸またはタンパク質に組み込まれる一連のヌクレオチドモノマーまたはアミノ酸モノマーを識別するために使用されてよい(例えば、一連の標識ヌクレオチドモノマーまたは標識アミノ酸モノマーの組み込みの時間的経過を検出することにより)。いくつかの実施形態では、本出願に記載されている方法、組成物、およびデバイスは、ポリメラーゼ酵素により合成される鋳型依存性核酸配列決定反応産物に組み込まれている一連のヌクレオチドを識別するために使用されてよい。
Sequencing Some aspects of the present application are useful for sequencing biological polymers such as nucleic acids and proteins. In some embodiments, the methods, compositions, and devices described in this application may be used to identify a series of nucleotide or amino acid monomers that are incorporated into a nucleic acid or protein (e.g., a series of by detecting the time course of incorporation of labeled nucleotide monomers or labeled amino acid monomers). In some embodiments, the methods, compositions, and devices described in this application are used to identify sequences of nucleotides incorporated into template-dependent nucleic acid sequencing reaction products synthesized by polymerase enzymes. may be used.
ある実施形態では、鋳型依存性核酸配列決定産物は、天然核酸ポリメラーゼにより実施される。いくつかの実施形態では、ポリメラーゼは、天然ポリメラーゼの突然変異体または修飾変異体である。いくつかの実施形態では、鋳型依存性核酸配列産物は、鋳型核酸鎖に相補的な1つまたは複数のヌクレオチドセグメントを含むことになる。1つの態様では、本出願は、その相補的な核酸鎖の配列を決定することにより、鋳型(または標的)核酸鎖の配列を決定するための方法を提供する。 In certain embodiments, template-dependent nucleic acid sequencing production is performed by natural nucleic acid polymerases. In some embodiments, the polymerase is a mutant or modified variant of a native polymerase. In some embodiments, the template-dependent nucleic acid sequence product will comprise one or more nucleotide segments complementary to the template nucleic acid strand. In one aspect, the application provides a method for determining the sequence of a template (or target) nucleic acid strand by determining the sequence of its complementary nucleic acid strand.
別の態様では、本出願は、複数の核酸断片を配列決定することにより標的核酸を配列決定するための方法であって、標的核酸が上記断片を含む方法を提供する。ある実施形態では、上記方法は、複数の断片配列を組み合わせて、親標的核酸の配列または部分配列を提供する工程を備える。いくつかの実施形態では、組合せ工程は、コンピュータハードウェアおよびソフトウェアにより実施される。本明細書に記載の方法は、染色体全体またはゲノム等の、1組の関連標的核酸の配列決定を可能にすることができる。 In another aspect, the application provides a method for sequencing a target nucleic acid by sequencing a plurality of nucleic acid fragments, wherein the target nucleic acid comprises said fragments. In some embodiments, the method comprises combining multiple fragment sequences to provide a sequence or subsequence of the parental target nucleic acid. In some embodiments, the combining process is performed by computer hardware and software. The methods described herein can enable sequencing of a set of related target nucleic acids, such as an entire chromosome or genome.
配列決定中、重合酵素は、標的核酸分子のプライミング位置にカップリングしてもよい(例えば、付着してもよい)。プライミング位置は、標的核酸分子の部分に相補的なプライマーであってもよい。その代わりとして、プライミング位置は、標的核酸分子の二本鎖セグメント内に提供されているギャップまたはニックである。ギャップまたはニックは、長さが、0個から少なくとも1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、20、30、または40個ヌクレオチドまでであってもよい。ニックは、二本鎖配列の一方の鎖の切れ目を提供することができ、例えば、鎖置換ポリメラーゼ酵素等の重合酵素のプライミング位置を供給することができる。 During sequencing, the polymerase may be coupled (eg, attached) to the priming position of the target nucleic acid molecule. A priming position may be a primer complementary to a portion of the target nucleic acid molecule. Alternatively, the priming position is a gap or nick provided within a double-stranded segment of the target nucleic acid molecule. A gap or nick may be from 0 to at least 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 20, 30, or 40 nucleotides in length. A nick can provide a break in one strand of a double-stranded sequence, and can provide, for example, a priming site for a polymerizing enzyme, such as a strand-displacing polymerase enzyme.
いくつかの場合、配列決定用プライマーは、固体支持体に固定されていてもよくまたは固定されなくともよい標的核酸分子にアニーリングされることが可能である。固体支持体は、例えば、核酸配列決定に使用されるチップ上の試料ウェル(例えば、ナノ開口部(反応チャンバ))を備えていてもよい。いくつかの実施形態では、配列決定用プライマーは、固体支持体に固定されていてもよく、標的核酸分子がハイブリダイゼーションすると、標的核酸分子も固体支持体に固定される。いくつかの実施形態では、ポリメラーゼは、固体支持体に固定されており、可溶性プライマーおよび標的核酸が、ポリメラーゼと接触する。しかしながら、いくつかの実施形態では、ポリメラーゼ、標的核酸、およびプライマーを含む複合体が、溶液中で形成され、この複合体が、固体支持体に固定されている(例えば、ポリメラーゼ、プライマー、および/または標的核酸を固定することにより)。いくつかの実施形態では、試料ウェル(例えば、ナノ開口部(反応チャンバ))中の成分はいずれも、固体支持体に固定されていない。例えば、いくつかの実施形態では、ポリメラーゼ、標的核酸、およびプライマーを含む複合体が溶液中で形成され、この複合体は、固体支持体に固定されていない。 In some cases, sequencing primers can be annealed to target nucleic acid molecules that may or may not be immobilized to a solid support. Solid supports may, for example, comprise sample wells (eg, nano-apertures (reaction chambers)) on chips used for nucleic acid sequencing. In some embodiments, the sequencing primer may be immobilized to a solid support, and upon hybridization of the target nucleic acid molecule, the target nucleic acid molecule is also immobilized to the solid support. In some embodiments, the polymerase is immobilized on a solid support and the soluble primer and target nucleic acid are contacted with the polymerase. However, in some embodiments, complexes comprising polymerase, target nucleic acid, and primers are formed in solution, and the complexes are immobilized on a solid support (e.g., polymerase, primers, and/or or by immobilizing the target nucleic acid). In some embodiments, none of the components in the sample well (eg, nanoopening (reaction chamber)) are immobilized to a solid support. For example, in some embodiments, complexes comprising polymerase, target nucleic acid, and primers are formed in solution, and the complexes are not immobilized to a solid support.
適切な条件下では、アニーリングされたプライマー/標的核酸と接触したポリメラーゼ酵素は、1つまたは複数のヌクレオチドをプライマーに追加または組み込むことができ、ヌクレオチドは、5’から3’へと鋳型依存的様式でプライマーに追加されることが可能である。プライマーへのヌクレオチドのそのような組み込み(例えば、ポリメラーゼの作用による)は、一般的に、プライマー伸長反応と呼ばれる場合がある。各ヌクレオチドは、核酸伸長反応中に検出および識別されることが可能であり(例えば、その発光寿命および/または他の特徴に基づいて)、伸長されたプライマーおよびしたがって新たに合成された核酸分子の配列に組み込まれた各ヌクレオチドを決定するために使用されることが可能である検出可能なタグと関連付けられることが可能である。また、標的核酸分子の配列は、新たに合成された核酸分子の配列相補性により決定されることが可能である。いくつかの場合、配列決定用プライマーの標的核酸分子とのアニーリングおよびヌクレオチドの配列決定用プライマーへの組み込みは、同様の反応条件(例えば、同じまたは同様の反応温度)で生じる場合もあり、または異なる反応条件(例えば、異なる反応温度)で生じる場合もある。いくつかの実施形態では、合成法による配列決定は、標的核酸分子の集団(例えば、標的核酸のコピー)を存在させる工程、および/または標的核酸を増幅して、標的核酸の集団を達成する工程を備える。しかしながら、いくつかの実施形態では、合成による配列決定が、評価中の各反応中の単一分子の配列を決定するために使用される(配列決定用の標的鋳型の調製には核酸増幅は必要とされない)。いくつかの実施形態では、複数の単一分子配列決定反応が、本出願の一態様に従って並列で実施される(例えば、単一チップ上で)。例えば、いくつかの実施形態では、複数の単一分子配列決定反応は各々、単一チップ上の個別の反応チャンバ(例えば、ナノ開口部、試料ウェル)で実施される。 Under appropriate conditions, a polymerase enzyme in contact with the annealed primer/target nucleic acid can add or incorporate one or more nucleotides into the primer, the nucleotides traversing from 5' to 3' in a template-dependent fashion. can be added to the primer with Such incorporation of nucleotides into primers (eg, by the action of a polymerase) is sometimes commonly referred to as a primer extension reaction. Each nucleotide can be detected and identified (e.g., based on its luminescence lifetime and/or other characteristics) during a nucleic acid extension reaction to determine the length of the extended primer and thus the newly synthesized nucleic acid molecule. It can be associated with a detectable tag that can be used to determine each nucleotide incorporated into a sequence. Alternatively, the sequence of the target nucleic acid molecule can be determined by sequence complementarity of newly synthesized nucleic acid molecules. In some cases, the annealing of the sequencing primer to the target nucleic acid molecule and the incorporation of nucleotides into the sequencing primer may occur under similar reaction conditions (e.g., the same or similar reaction temperature), or may occur at different temperatures. It may also occur under reaction conditions (eg, different reaction temperatures). In some embodiments, sequencing by synthetic methods presents a population of target nucleic acid molecules (e.g., copies of the target nucleic acid) and/or amplifies the target nucleic acid to achieve a population of target nucleic acids. Prepare. However, in some embodiments, sequencing-by-synthesis is used to determine the sequence of a single molecule in each reaction under evaluation (preparation of target template for sequencing requires nucleic acid amplification). and not). In some embodiments, multiple single-molecule sequencing reactions are performed in parallel (eg, on a single chip) according to one aspect of the application. For example, in some embodiments, multiple single-molecule sequencing reactions are each performed in separate reaction chambers (eg, nano-apertures, sample wells) on a single chip.
実施形態では、少なくとも約50%、60%、70%、75%、80%、85%、90%、95%、96%、97%、98%、99%、99.9%、99.99%、99.999%、もしくは99.9999%の正確性および/または約10塩基対(bp)、50bp、100bp、200bp、300bp、400bp、500bp、1000bp、10,000bp、20,000bp、30,000bp、40,000bp、50,000bp、もしくは100,000bp以上の解読長等の、高い正確性および長い解読長で単一核酸分子の配列決定が可能である。いくつかの実施形態では、単一分子配列決定に使用される標的核酸分子は、試料ウェルの底部または側壁等の固体支持体に固定または付着されている配列決定反応の少なくとも1つの追加成分(例えば、DNAポリメラーゼ等ポリメラーゼ、配列決定用プライマー)を含有する試料ウェル(例えば、ナノ開口部)に追加または固定される一本鎖標的核酸(例えば、デオキシリボ核酸(DNA)、DNA誘導体、リボ核酸(RNA)、RNA誘導体)鋳型である。標的核酸分子またはポリメラーゼは、試料ウェルの底部または側壁等の試料壁に直接的にまたはリンカーを介して付着されていてもよい。また、試料ウェル(例えば、ナノ開口部)は、例えば、好適な緩衝剤、コファクター、酵素(例えば、ポリメラーゼ)、および例えば、フルオロフォア等の発光タグを含むデオキシアデノシン三リン酸(dATP)dNTP、デオキシシチジン三リン酸(dCTP)dNTP、デオキシグアノシン三リン酸(dGTP)dNTP、デオキシウリジン三リン酸(dUTP)dNTP、およびデオキシチミジン三リン酸(dTTP)dNTP等のデオキシリボヌクレオシド三リン酸等の、プライマー伸長反応による核酸合成に必要な任意の他の試薬を含有していてもよい。いくつかの実施形態では、タグから放射された光の検出が、新たに合成された核酸に組み込まれたdNTPの同一性を示すように、各クラスのdNTP(例えば、アデニン含有dNTP(例えば、dATP)、シトシン含有dNTP(例えば、dCTP)、グアニン含有dNTP(例えば、dGTP)、ウラシル含有dNTP(例えば、dUTP)、およびチミン含有dNTP(例えば、dTTP))が、異なる発光タグにコンジュゲートされている。発光タグからの放射光は、本明細書の他所に記載されている検出デバイスおよび検出方法を含む、任意の好適なデバイスおよび/または方法により検出されることが可能であり、その適切な発光タグ(およびしたがって関連dNTP)に帰属させることができる。発光タグは、発光タグの存在が、新たに合成された核酸鎖へのdNTPの組み込みまたはポリメラーゼの活性を阻害しないような任意の位置でdNTPにコンジュゲートされることが可能である。いくつかの実施形態では、発光タグは、dNTPの末端リン酸(例えば、ガンマリン酸)にコンジュゲートされる。 In embodiments, at least about 50%, 60%, 70%, 75%, 80%, 85%, 90%, 95%, 96%, 97%, 98%, 99%, 99.9%, 99.99 %, 99.999%, or 99.9999% accuracy and/or about 10 base pairs (bp), 50bp, 100bp, 200bp, 300bp, 400bp, 500bp, 1000bp, 10,000bp, 20,000bp, 30, Single nucleic acid molecules can be sequenced with high accuracy and long read lengths, such as read lengths of 000 bp, 40,000 bp, 50,000 bp, or 100,000 bp or greater. In some embodiments, the target nucleic acid molecule used for single molecule sequencing is immobilized or attached to a solid support such as the bottom or sidewall of a sample well with at least one additional component of the sequencing reaction (e.g. single-stranded target nucleic acid (e.g., deoxyribonucleic acid (DNA), DNA derivatives, ribonucleic acid (RNA ), RNA derivatives) are templates. A target nucleic acid molecule or polymerase may be attached directly or via a linker to a sample wall, such as the bottom or sidewall of a sample well. The sample wells (e.g., nanoapertures) also contain suitable buffers, cofactors, enzymes (e.g., polymerases), and luminescent tags, e.g., fluorophores, such as deoxyadenosine triphosphate (dATP) dNTPs , deoxyribonucleoside triphosphates such as deoxycytidine triphosphate (dCTP) dNTPs, deoxyguanosine triphosphate (dGTP) dNTPs, deoxyuridine triphosphate (dUTP) dNTPs, and deoxythymidine triphosphate (dTTP) dNTPs. , may contain any other reagents required for nucleic acid synthesis by a primer extension reaction. In some embodiments, each class of dNTPs (e.g., adenine-containing dNTPs (e.g., dATP ), cytosine-containing dNTPs (e.g., dCTP), guanine-containing dNTPs (e.g., dGTP), uracil-containing dNTPs (e.g., dUTP), and thymine-containing dNTPs (e.g., dTTP)) are conjugated to different luminescent tags. . Emitted light from a luminescent tag can be detected by any suitable device and/or method, including detection devices and methods described elsewhere herein, and the appropriate luminescent tag (and thus associated dNTPs). Luminescent tags can be conjugated to dNTPs at any position such that the presence of the luminescent tag does not interfere with the incorporation of the dNTP into the newly synthesized nucleic acid strand or the activity of the polymerase. In some embodiments, the luminescent tag is conjugated to the terminal phosphate (eg, gamma phosphate) of the dNTP.
いくつかの実施形態では、一本鎖標的核酸鋳型は、配列決定用プライマー、dNTP、ポリメラーゼ、および核酸合成に必要な他の試薬と接触することができる。いくつかの実施形態では、dNTPの組み込みが連続的に生じ得るように、全ての適切なdNTPが同時に一本鎖標的核酸鋳型と接触してもよい(例えば、全てのdNTPが同時に存在する)。他の実施形態では、dNTPは、一本鎖標的核酸鋳型と順次接触してもよく、その場合、一本鎖標的核酸鋳型は、異なるdNTPを一本鎖標的核酸鋳型と接触させる間に洗浄ステップを設けることにより、各適切なdNTPと別々に接触する。一本鎖標的核酸鋳型を各dNTPと別々に接触させ、その後洗浄を行うそのようなサイクルは、識別しようとする一本鎖標的核酸テンプレートの各連続塩基位置にわたって繰り返されることが可能である。 In some embodiments, the single-stranded target nucleic acid template can be contacted with sequencing primers, dNTPs, polymerase, and other reagents required for nucleic acid synthesis. In some embodiments, all suitable dNTPs may contact the single-stranded target nucleic acid template at the same time (eg, all dNTPs are present at the same time) so that dNTP incorporation can occur sequentially. In other embodiments, the dNTPs may be contacted with the single-stranded target nucleic acid template sequentially, wherein the single-stranded target nucleic acid template is subjected to a washing step between contacting different dNTPs with the single-stranded target nucleic acid template. to contact each appropriate dNTP separately. Such a cycle of separately contacting the single-stranded target nucleic acid template with each dNTP followed by washing can be repeated for each consecutive base position of the single-stranded target nucleic acid template to be discriminated.
いくつかの実施形態では、配列決定用プライマーは、一本鎖標的核酸鋳型にアニーリングし、ポリメラーゼは、一本鎖標的核酸鋳型に基づいて、dNTP(または他のデオキシリボヌクレオシドポリリン酸)を連続してプライマーに組み込む。各組み込まれたdNTPに関連付けられた固有な発光タグは、プライマーへのdNTPの組み込み中にまたは組み込み後に、適切な励起光で励起されることが可能であり、その後、その放射は、本明細書の他所に記載されている検出デバイスおよび方法を含む任意の好適なデバイスおよび/または方法を使用して検出されることが可能である。特定の光の放射(例えば、特定の放射寿命、強度、スペクトル、および/またはそれらの組合せを有する)の検出は、組み込まれた特定のdNTPに帰属させることが可能である。その後、検出された一群の発光タグから得られる配列は、一本鎖標的核酸鋳型の配列を配列相補性により決定するために使用されることが可能である。 In some embodiments, the sequencing primer anneals to the single-stranded target nucleic acid template, and the polymerase serially generates dNTPs (or other deoxyribonucleoside polyphosphates) based on the single-stranded target nucleic acid template. Incorporate into the primer. The unique luminescent tag associated with each incorporated dNTP can be excited with suitable excitation light during or after incorporation of the dNTP into the primer, after which its emission is described herein. can be detected using any suitable device and/or method, including the detection devices and methods described elsewhere in . Detection of specific light emissions (eg, having specific radiative lifetimes, intensities, spectra, and/or combinations thereof) can be attributed to specific dNTPs incorporated. Sequences obtained from a panel of detected luminescent tags can then be used to determine the sequence of a single-stranded target nucleic acid template by sequence complementarity.
本開示では、本明細書で提供されているdNTP、デバイス、システム、および方法が参照されているが、リボヌクレオチドおよびデオキシリボヌクレオチド等の種々のタイプのヌクレオチド(例えば、少なくとも4、5、6、7、8、9、または10個のホスフェート基を有するデオキシリボヌクレオシドポリリン酸)と共に使用されることが可能である。そのようなリボヌクレオチドおよびデオキシリボヌクレオチドは、種々のタイプのタグ(またはマーカー)およびリンカーを含んでいてもよい。 In this disclosure, reference is made to the dNTPs, devices, systems, and methods provided herein, but various types of nucleotides, such as ribonucleotides and deoxyribonucleotides (e.g., at least 4, 5, 6, 7 , deoxyribonucleoside polyphosphates having 8, 9, or 10 phosphate groups). Such ribonucleotides and deoxyribonucleotides may contain various types of tags (or markers) and linkers.
核酸配列決定の例
以下の例は、本明細書に記載されている方法、組成物、およびデバイスのいくつかを例示するためのものである。例の全ての態様は非限定的である。図1には、一分子核酸配列決定法のセットアップが模式的に例示されている。1-110は、核酸ポリメラーゼ1-101、配列決定しようとする標的核酸1-102、およびプライマー1-104を含む単一複合体を含有するように構成されている試料ウェル(例えば、ナノ開口部、反応チャンバ)である。この例では、試料ウェル1-110の底部領域は、標的容積部(例えば、励起領域)1-120として図示されている。
Nucleic Acid Sequencing Examples The following examples are intended to illustrate some of the methods, compositions, and devices described herein. All aspects of the examples are non-limiting. Figure 1 schematically illustrates the setup for single-molecule nucleic acid sequencing. 1-110 are sample wells (e.g., nano-aperture , reaction chamber). In this example, the bottom region of sample well 1-110 is illustrated as target volume (eg, excitation region) 1-120.
本明細書の他所に記載されているように、標的容積部は、励起エネルギーが向けられる容積部(volume)である。いくつかの実施形態では、容積部は、試料ウェル容積部および試料ウェルへの励起エネルギーのカップリングの両方の特性である。標的容積部は、標的容積部に限局される分子または複合体の数を制限するように構成されていてもよい。いくつかの実施形態では、標的容積部は、単一分子または単一複合体を限局するように構成されている。いくつかの実施形態では、標的容積部は、単一ポリメラーゼ複合体を限局するように構成されている。図1では、ポリメラーゼ1-101を含む複合体が、標的容積部1-120に限局されている。複合体は、任意選択で、試料ウェルの表面に付着させることにより固定されていてもよい。試料ウェル表面調製および官能化の例示的なプロセスは、図7~9に図示されており、本出願の他所でさらに詳細に考察されている。この例では、複合体は、ポリメラーゼ1-101にリンカーを付着させるのに好適な1つまたは複数の生体分子(例えば、ビオチン)を含むリンカー1-103により固定されている。 As described elsewhere herein, the target volume is the volume into which the excitation energy is directed. In some embodiments, the volume is a property of both the sample well volume and the coupling of excitation energy to the sample well. The target volume may be configured to limit the number of molecules or complexes localized to the target volume. In some embodiments, the target volume is configured to localize single molecules or single complexes. In some embodiments, the target volume is configured to confine a single polymerase complex. In FIG. 1, the complex containing polymerase 1-101 is confined to target volume 1-120. The complexes may optionally be immobilized by attaching them to the surface of the sample well. An exemplary process of sample well surface preparation and functionalization is illustrated in FIGS. 7-9 and discussed in greater detail elsewhere in this application. In this example, the conjugate is anchored by a linker 1-103 containing one or more biomolecules (eg biotin) suitable for attaching the linker to the polymerase 1-101.
また、開口部の容積部は、好適な溶媒、緩衝剤、およびポリメラーゼ複合体が核酸鎖を合成するのに必要な他の添加剤を有する反応混合物を含有する。また、反応混合物は、複数のタイプの発光標識ヌクレオチドを含有する。各タイプのヌクレオチドは、*-A、@-T、$-G、#-Cという記号で表されており、A、T、G、およびCは、ヌクレオチド塩基を表し、記号*、@、$、および#は、リンカー「-」を介して各ヌクレオチドに付着している固有の発光標識を表す。図1では、#-Cヌクレオチドが、相補鎖1-102に組み込まれているところである。組み込まれたヌクレオチドは、標的容積部1-120内に存在する。 The open volume also contains a reaction mixture with suitable solvents, buffers, and other additives necessary for the polymerase complex to synthesize nucleic acid strands. Also, the reaction mixture contains multiple types of luminescently labeled nucleotides. Each type of nucleotide is represented by the symbols *-A, @-T, $-G, #-C, where A, T, G, and C represent the nucleotide bases and the symbols *, @, $ , and # represent a unique luminescent label attached to each nucleotide via a linker '-'. In FIG. 1, the #-C nucleotide is being incorporated into complementary strand 1-102. Incorporated nucleotides are present in target volume 1-120.
また、図1には、標的容積部の近傍に加えられている励起エネルギーおよび検出器に向かって放射されている発光が概念的に矢印で示されている。矢印は模式的であり、励起エネルギーを加える特定の向きまたは発光の特定の向きを示す意図はない。いくつかの実施形態では、励起エネルギーは、発光源からの光のパルスである。励起エネルギーは、発光源と標的容積部の近傍との間を、導波路またはフィルター等の1つまたは複数のデバイス部品を通って移動してもよい。また、放射エネルギーは、発光分子と検出器との間を、導波路またはフィルター等の1つまたは複数のデバイス部品を通って移動してもよい。いくつかの発光は、検出器に(例えば、試料ウェルの側壁に)向かわず、検出されることができないベクトルで放射する場合がある。 Also shown conceptually in FIG. 1 are the excitation energy being applied in the vicinity of the target volume and the luminescence being emitted towards the detector by arrows. The arrows are schematic and are not intended to indicate any particular direction of excitation energy application or emission. In some embodiments, the excitation energy is a pulse of light from a light emitting source. Excitation energy may travel between the source and the vicinity of the target volume through one or more device components, such as waveguides or filters. The radiant energy may also travel between the luminescent molecules and the detector through one or more device components, such as waveguides or filters. Some emissions may radiate in vectors that are not directed to the detector (eg, to the sidewalls of the sample well) and cannot be detected.
図2には、単一の試料ウェル(例えば、ナノ開口部)での経時的な配列決定プロセスが模式的に例示されている。段階AからDに、図1のような、ポリメラーゼ複合体を有する試料ウェルが図示されている。段階Aには、任意のヌクレオチドがプライマーに付加される前の初期状態が図示されている。段階Bには、発光標識ヌクレオチド(#-C)の組み込み事象が図示されている。段階Cには、組み込み事象の間の期間が図示されている。この例では、ヌクレオチドCが、プライマーに付加されており、発光標識ヌクレオチド(#-C)にそれまで付着していた標識およびリンカーは切断されている。段階Dには、発光標識ヌクレオチド(*-A)の第2の組み込み事象が図示されている。段階D後の相補鎖は、プライマー、Cヌクレオチド、およびAヌクレオチドからなる。 FIG. 2 schematically illustrates the sequencing process over time in a single sample well (eg, nanoaperture). Steps A through D illustrate sample wells with polymerase complexes, as in FIG. Stage A depicts the initial state before any nucleotides are added to the primer. Step B depicts the incorporation event of a luminescent labeled nucleotide (#-C). Phase C illustrates the period between integration events. In this example, nucleotide C has been added to the primer and the label and linker previously attached to the luminescent labeled nucleotide (#-C) are cleaved. Step D illustrates the second incorporation event of a luminescent labeled nucleotide (*-A). The complementary strand after step D consists of the primer, C nucleotides and A nucleotides.
段階AおよびCの両方には、組み込み事象前または組み込み事象の間の期間が図示されており、この例では約10ミリ秒間継続することが示されている。段階AおよびCでは、ヌクレオチドが組み込み中ではないため、標的容積部に(図2には描かれていない)発光標識ヌクレオチドは存在しないが、バックグラウンド発光および組み込み中ではない発光標識ヌクレオチドからの疑似発光が検出される場合がある。段階BおよびDには、異なるヌクレオチド(それぞれ、#-Cおよび*-A)の組み込み事象が表示されている。また、この例では、これら事象は、約10ミリ秒間継続するように示されている。 Both phases A and C illustrate the period of time before or between the incorporation event, which in this example is shown to last approximately 10 milliseconds. In steps A and C, there are no luminescence-labeled nucleotides (not depicted in FIG. 2) in the target volume because no nucleotides are being incorporated, but background luminescence and spurious signals from luminescence-labeled nucleotides not being incorporated. Luminescence may be detected. Steps B and D represent incorporation events of different nucleotides (#-C and *-A, respectively). Also, in this example, these events are shown to last approximately 10 milliseconds.
「生ビン(raw bin)データ」と表記されている行には、各段階中に生成されたデータが図示されている。実験例の全体にわたって、複数の光のパルスが、標的容積部の近傍に加えられている。検出器は、検出器により受信されるあらゆる放射光子を、各パルス毎に記録するように構成されている。放射光子は、検出器により受信されると、複数の時間ビンの1つに分離される。この例では、そのうち3つが存在している。いくつかの実施形態では、検出器は、2~16個の時間ビンを有するように構成されている。「生ビンデータ」は、それぞれ最短ビン、中間ビン、および最長ビンに対応する、1(最短のバー)、2(中間のバー)、または3(最長のバー)の値を記録する。各バーは、放射光子の検出を示す。 The row labeled "raw bin data" illustrates the data generated during each stage. Throughout the experimental examples, multiple pulses of light are applied near the target volume. The detector is configured to record every emitted photon received by the detector for each pulse. Emission photons are separated into one of a plurality of time bins as they are received by the detector. In this example, there are 3 of them. In some embodiments, the detector is configured with 2-16 time bins. "Raw Bin Data" records a value of 1 (shortest bar), 2 (middle bar), or 3 (longest bar), corresponding to shortest, middle, and longest bins respectively. Each bar represents the detection of emitted photons.
標的容積部には発光標識ヌクレオチドが存在しないため、段階AまたはCでは、光子は検出されない。段階BおよびDの各々では、複数の光子放射事象(発光事象、または本明細書で使用される場合は「発光」)が、組み込み事象中に検出される。発光標識「#」は、発光標識「*」よりも短い発光寿命を有する。したがって、段階Bデータは、ビン値がより高い段階Dよりも、より低い平均ビン値を記録したように図示されている。 No photons are detected in steps A or C since there are no luminescently labeled nucleotides in the target volume. In each of stages B and D, multiple photon emission events (luminescence events, or "luminescence" as used herein) are detected during the integration event. Luminescent label '#' has a shorter luminescence lifetime than luminescent label '*'. Thus, Stage B data is illustrated as recording a lower average bin value than Stage D, which has a higher bin value.
「加工データ」と表記されている行には、各パルスに関する複数時点での放射光子の数(カウント)を示すように加工されている生データが図示されている。各バーは、特定の時間ビンの光子カウントに対応するため、加工データを図示する例示的な曲線は、図に記載されている3つの時間ビンを超える数の時間ビンを含む生ビンデータに対応する。この例では、データは、発光寿命を決定するために加工されるだけではなく、データは、発光強度または吸収光子もしくは放射光子の波長等の、他の発光特性について評価されてもよい。例示的な加工データは、標的容積部中の発光標識の発光寿命の指数関数的な崩壊曲線の特徴に近似する。発光標識「#」は、発光標識「*」よりも短い発光寿命を有するため、段階Bの加工データは、より長い経過時間でより少数のカウントを有するが、段階Dの加工データは、より長い経過時間で比較的より多くのカウントを有する。 The row labeled "processed data" shows raw data that has been processed to show the number of emitted photons (counts) at multiple time points for each pulse. Each bar corresponds to photon counts in a particular time bin, so the exemplary curve illustrating processed data corresponds to raw bin data containing more time bins than the three time bins shown in the figure. do. In this example, the data is not only processed to determine luminescence lifetime, but the data may be evaluated for other luminescence properties such as luminescence intensity or wavelength of absorbed or emitted photons. Exemplary processed data approximates the exponential decay curve characteristics of the luminescent lifetime of the luminescent label in the target volume. Luminescent label '#' has a shorter luminescence lifetime than luminescent label '*', so Stage B processed data has fewer counts at longer elapsed times, while Stage D processed data has a longer Has relatively more counts over time.
図2の実験例では、相補鎖に付加された最初の2つのヌクレオチドがCAとして識別されることになる。したがって、DNAの場合、プライマーにアニーリングした領域の直後の標的鎖の配列がGTであると識別されることになる。この例では、ヌクレオチドCおよびAは、発光寿命のみに基づいて、複数のC、G、T、およびAの中から判別されることが可能である。いくつかの実施形態では、1つまたは複数の特定のヌクレオチドを判別するためには、発光強度または吸収光子または放射光子の波長等の他の特性が必要である場合がある。 In the example experiment of Figure 2, the first two nucleotides added to the complementary strand would be identified as CA. Therefore, in the case of DNA, the sequence of the target strand immediately following the region annealed to the primer would be identified as GT. In this example, nucleotides C and A can be distinguished among multiples of C, G, T, and A based solely on emission lifetimes. In some embodiments, other properties such as emission intensity or wavelength of absorbed or emitted photons may be required to distinguish one or more particular nucleotides.
ヌクレオチドの組み込み時に放射されるシグナルは、標的核酸テンプレートの配列を決定するために、メモリに格納され、後の時点で加工される。これは、シグナルを参照シグナルと比較して、組み込まれたヌクレオチドの同一性を時間の関数として決定することを含む。その代わりにまたはそれに加えて、ヌクレオチドの組み込み時の放射されるシグナルは、標的核酸鋳型の配列をリアルタイムに決定するために収集され、リアルタイムに(例えば、ヌクレオチドの組み込み時に)加工されることが可能である。 Signals emitted upon nucleotide incorporation are stored in memory and processed at a later time to determine the sequence of the target nucleic acid template. This involves comparing the signal to a reference signal to determine the identity of incorporated nucleotides as a function of time. Alternatively or additionally, signals emitted upon nucleotide incorporation can be collected and processed in real time (e.g., upon nucleotide incorporation) to determine the sequence of the target nucleic acid template in real time. is.
用語「核酸」は、本明細書で使用される場合、一般的に、1つまたは複数の核酸サブユニットを含む分子を指す。核酸としては、アデニン(A)、シトシン(C)、グアニン(G)、チミン(T)、およびウラシル(U)、またはそれらの変異体から選択される1つまたは複数のサブユニットを挙げることができる。いくつかの例では、核酸は、デオキシリボ核酸(DNA)、またはリボ核酸(RNA)、またはそれらの誘導体である。核酸は、一本鎖であってもよく、または二本鎖であってもよい。核酸は、環状であってもよい。 The term "nucleic acid" as used herein generally refers to molecules comprising one or more nucleic acid subunits. Nucleic acids can include one or more subunits selected from adenine (A), cytosine (C), guanine (G), thymine (T), and uracil (U), or variants thereof. can. In some examples, the nucleic acid is deoxyribonucleic acid (DNA) or ribonucleic acid (RNA), or derivatives thereof. Nucleic acids may be single-stranded or double-stranded. Nucleic acids may be circular.
用語「ヌクレオチド」は、本明細書で使用される場合、一般的に、A、C、G、T、またはUを含んでいてもよい核酸サブユニット、またはその変異体もしくは類似体を指す。ヌクレオチドは、成長中の核酸鎖に組み込まれることが可能なあらゆるサブユニットを含んでいてもよい。そのようなサブユニットは、A、C、G、T、またはUであってもよく、あるいは1つもしくは複数の相補的なA、C、G、TもしくはUに特異的な、またはプリン(例えば、AもしくはG、またはそれらの変異体もしくは類似体)もしくはピリミジン(例えば、C、T、もしくはU、またはそれらの変異体もしくは類似体)に相補的な任意の他のサブユニットであってもよい。サブユニットは、個々の核酸塩基または塩基のグループ(例えば、AA、TA、AT、GC、CG、CT、TC、GT、TG、AC、CA、またはそれらのウラシル相当物質)を見分けることを可能にすることができる。 The term "nucleotide" as used herein generally refers to a nucleic acid subunit that may contain A, C, G, T, or U, or variants or analogs thereof. A nucleotide may include any subunit that is capable of being incorporated into a growing nucleic acid chain. Such subunits may be A, C, G, T, or U, or one or more complementary A, C, G, T or U specific or purine (e.g. , A or G, or variants or analogs thereof) or any other subunit complementary to a pyrimidine (e.g., C, T, or U, or variants or analogs thereof). . Subunits allow distinguishing between individual nucleobases or groups of bases (e.g., AA, TA, AT, GC, CG, CT, TC, GT, TG, AC, CA, or their uracil equivalents) can do.
ヌクレオチドは、一般的に、ヌクレオシドおよび少なくとも1、2、3、4、5、6、7、8、9、10個以上のリン酸(PO3)基を含む。ヌクレオチドは、核酸塩基、五炭糖(リボースまたはデオキシリボースのいずれか)、および1つまたは複数のホスフェート基を含んでいてもよい。リボヌクレオチドは、糖がリボースであるヌクレオチドである。デオキシリボヌクレオチドは、糖がデオキシリボースであるヌクレオチドである。ヌクレオチドは、ヌクレオシド一リン酸またはヌクレオシドポリリン酸であってもよい。ヌクレオチドは、例えば、発光タグまたはマーカー(例えば、フルオロフォア)等の検出可能なタグを含むデオキシアデノシン三リン酸(dATP)dNTP、デオキシシチジン三リン酸(dCTP)dNTP、デオキシグアノシン三リン酸(dGTP)dNTP、デオキシウリジン三リン酸(dUTP)dNTP、およびデオキシチミジン三リン酸(dTTP)dNTPから選択されることが可能なデオキシリボヌクレオシド三リン酸等の、デオキシリボヌクレオシドポリリン酸であってもよい。 Nucleotides generally include a nucleoside and at least 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 or more phosphate ( PO3 ) groups. A nucleotide may include a nucleobase, a pentose sugar (either ribose or deoxyribose), and one or more phosphate groups. Ribonucleotides are nucleotides in which the sugar is ribose. Deoxyribonucleotides are nucleotides in which the sugar is deoxyribose. Nucleotides may be nucleoside monophosphates or nucleoside polyphosphates. Nucleotides include, e.g., deoxyadenosine triphosphate (dATP) dNTPs, deoxycytidine triphosphate (dCTP) dNTPs, deoxyguanosine triphosphate (dGTP), including detectable tags such as luminescent tags or markers (e.g., fluorophores) ) deoxyribonucleoside polyphosphates, such as deoxyribonucleoside triphosphates, which can be selected from dNTPs, deoxyuridine triphosphate (dUTP) dNTPs, and deoxythymidine triphosphate (dTTP) dNTPs.
ヌクレオシドポリリン酸は、「n」個のホスフェート基を有していてもよく、「n」は、2、3、4、5、6、7、8、9、または10以上の数である。ヌクレオシドポリリン酸の例としては、ヌクレオシド二リン酸およびヌクレオシド三リン酸が挙げられる。ヌクレオチドは、末端リン酸標識ヌクレオシドポリリン酸等の、末端リン酸標識ヌクレオシドであってもよい。そのような標識は、発光(例えば、蛍光または化学発光)標識、蛍光発生標識、有色標識、発色性標識、質量タグ、静電気標識、または電気化学標識であってもよい。標識(またはマーカー)は、リンカーを介して末端リン酸とカップリングされていてもよい。リンカーは、例えば、少なくとも1つまたは複数のヒドロキシル基、スルフヒドリル基、アミノ基、またはハロアルキル基を含んでいてもよく、これらは、例えば、天然または修飾ヌクレオチドの末端リン酸でのリン酸エステル連結、チオエステル連結、ホスホルアミデート連結、またはアルキルホスホナート連結の形成に好適であってもよい。リンカーは、重合酵素等により、末端リン酸から標識を分離するように切断可能であってもよい。ヌクレオチドおよびリンカーの例は、米国特許第7,041,812号明細書に提供されており、この文献は、その全体が参照により本願明細書に援用される。 Nucleoside polyphosphates may have "n" phosphate groups, where "n" is a number of 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, or 10 or more. Examples of nucleoside polyphosphates include nucleoside diphosphates and nucleoside triphosphates. A nucleotide may be a terminal phosphate-labeled nucleoside, such as a terminal phosphate-labeled nucleoside polyphosphate. Such labels may be luminescent (eg, fluorescent or chemiluminescent) labels, fluorogenic labels, colored labels, chromogenic labels, mass tags, electrostatic labels, or electrochemical labels. A label (or marker) may be coupled to the terminal phosphate via a linker. The linker may comprise, for example, at least one or more hydroxyl, sulfhydryl, amino, or haloalkyl groups, which are used, for example, for phosphate ester linkages at terminal phosphates of natural or modified nucleotides, It may be suitable for forming thioester, phosphoramidate, or alkylphosphonate linkages. The linker may be cleavable, such as by a polymerase, to separate the label from the terminal phosphate. Examples of nucleotides and linkers are provided in US Pat. No. 7,041,812, which is hereby incorporated by reference in its entirety.
ヌクレオチド(例えば、ヌクレオチドポリリン酸)は、メチル化核酸塩基を含んでいてもよい。例えば、メチル化ヌクレオチドは、核酸塩基に付着している(例えば、核酸塩基の環に直接付着している、核酸塩基の環の置換基に付着している)1つまたは複数のメチル基を含むヌクレオチドであってもよい。例示的なメチル化核酸塩基としては、1-メチルチミン、1-メチルウラシル、3-メチルウラシル、3-メチルシトシン、5-メチルシトシン、1-メチルアデニン、2-メチルアデニン、7-メチルアデニン、N6-メチルアデニン、N6,N6-ジメチルアデニン、1-メチルグアニン、7-メチルグアニン、N2-メチルグアニン、およびN2,N2-ジメチルグアニンが挙げられる。 Nucleotides (eg, nucleotide polyphosphates) may contain methylated nucleobases. For example, a methylated nucleotide comprises one or more methyl groups attached to a nucleobase (e.g., attached directly to a nucleobase ring, attached to a substituent of a nucleobase ring). It may be a nucleotide. Exemplary methylated nucleobases include 1-methylthymine, 1-methyluracil, 3-methyluracil, 3-methylcytosine, 5-methylcytosine, 1-methyladenine, 2-methyladenine, 7-methyladenine, N6 -methyladenine, N6,N6-dimethyladenine, 1-methylguanine, 7-methylguanine, N2-methylguanine, and N2,N2-dimethylguanine.
用語「プライマー」は、本明細書で使用される場合、一般的に、A、C、G、T、および/またはU、またはそれらに変異体もしくは類似体を含む配列を含んでいてもよい核酸分子(例えば、オリゴヌクレオチド)を指す。プライマーは、DNA、RNA、PNA、またはそれらの変異体もしくは類似体を含む合成オリゴヌクレオチドであってもよい。プライマーは、そのヌクレオチド配列が標的鎖に相補的であるように設計されていてもよく、またはプライマーは、ランダムヌクレオチド配列を含んでいてもよい。いくつかの実施形態では、プライマーは、尾部(例えば、ポリA尾部、インデックスアダプター、分子バーコード等)を含んでいてもよい。いくつかの実施形態では、プライマーは、5~15個の塩基、10~20個の塩基、15~25個の塩基、20~30個の塩基、25~35個の塩基、30~40個の塩基、35~45個の塩基、40~50個の塩基、45~55個の塩基、50~60個の塩基、55~65個の塩基、60~70個の塩基、65~75個の塩基、70~80個の塩基、75~85個の塩基、80~90個の塩基、85~95個の塩基、90~100個の塩基、95~105個の塩基、100~150個の塩基、125~175個の塩基、150~200個の塩基、または200個を超える塩基を含んでいてもよい。 The term "primer," as used herein, is generally a nucleic acid that may contain a sequence that includes A, C, G, T, and/or U, or variants or analogs thereof. It refers to a molecule (eg, an oligonucleotide). A primer may be a synthetic oligonucleotide comprising DNA, RNA, PNA, or variants or analogs thereof. The primer may be designed such that its nucleotide sequence is complementary to the target strand, or the primer may contain random nucleotide sequences. In some embodiments, primers may include tails (eg, poly-A tails, index adapters, molecular barcodes, etc.). In some embodiments, the primer is 5-15 bases, 10-20 bases, 15-25 bases, 20-30 bases, 25-35 bases, 30-40 bases bases, 35-45 bases, 40-50 bases, 45-55 bases, 50-60 bases, 55-65 bases, 60-70 bases, 65-75 bases , 70-80 bases, 75-85 bases, 80-90 bases, 85-95 bases, 90-100 bases, 95-105 bases, 100-150 bases, It may contain 125-175 bases, 150-200 bases, or more than 200 bases.
発光特性
本明細書に記載されているように、発光分子は、1つまたは複数の光子を吸収し、その後、1つまたは複数の経過時間後に1つまたは複数の光子を放射することができる分子である。分子の発光は、これらに限定されないが、発光寿命、吸収スペクトル、放射スペクトル、発光量子収量、および発光強度を含む、いくつかのパラメータにより記述される。「吸収」および「励起」という用語は、本出願の全体にわたって同義的に使用される。典型的な発光分子は、複数の波長の光を吸収することができるか、または複数の波長の光で励起を起こすことができる。ある波長でのまたはあるスペクトル範囲内での励起は、発光放射事象により緩和し得るが、ある他の波長でのまたはスペクトル範囲での励起は、発光放射事象により緩和しない場合がある。いくつかの実施形態では、発光分子は、単一の波長でまたは単一のスペクトル範囲内でのみ、適切に励起されて発光する。いくつかの実施形態では、発光分子は、2つ以上の波長でまたは2つ以上のスペクトル範囲内で適切に励起されて発光する。いくつかの実施形態では、分子は、励起光子の波長または吸収スペクトルを測定することにより識別される。
Luminescent Properties As described herein, luminescent molecules are molecules that can absorb one or more photons and then emit one or more photons after one or more lapses of time. is. The luminescence of a molecule is described by several parameters including, but not limited to, luminescence lifetime, absorption spectrum, emission spectrum, luminescence quantum yield, and luminescence intensity. The terms "absorption" and "excitation" are used synonymously throughout this application. A typical luminescent molecule can absorb multiple wavelengths of light or undergo excitation with multiple wavelengths of light. Excitation at certain wavelengths or within certain spectral ranges may be mitigated by luminescence emission events, while excitation at certain other wavelengths or within spectral ranges may not be mitigated by luminescence emission events. In some embodiments, a luminescent molecule is appropriately excited to emit light only at a single wavelength or within a single spectral range. In some embodiments, the luminescent molecule emits light upon proper excitation at two or more wavelengths or within two or more spectral ranges. In some embodiments, molecules are identified by measuring the wavelength of the excitation photon or the absorption spectrum.
発光放射事象からの放射光子は、考え得る波長のスペクトル範囲内の波長で放射することになる。典型的には、放射光子は、励起光子の波長と比較して、より長い波長を有する(例えば、より少ないエネルギーを有するか、または赤色側にシフトする)。ある実施形態では、分子は、放射光子の波長を測定することにより識別される。ある実施形態では、分子は、複数の放射光子の波長を測定することにより識別される。ある実施形態では、分子は、発光スペクトルを測定することにより識別される。 Emission photons from a luminescence emission event will emit at wavelengths within the spectral range of possible wavelengths. Typically, the emission photons have a longer wavelength (eg, have less energy or are red-shifted) compared to the wavelength of the excitation photons. In some embodiments, molecules are identified by measuring the wavelength of emitted photons. In some embodiments, molecules are identified by measuring the wavelengths of multiple emitted photons. In some embodiments, molecules are identified by measuring their emission spectra.
発光寿命は、励起事象と放射事象との間の経過時間を指す。いくつかの実施形態では、発光寿命は、指数関数的崩壊の数式の定数として表現される。いくつかの実施形態では、1つまたは複数のパルス事象により励起エネルギーが加えられ、経過時間は、そのパルスとその後の放射事象との間の時間である。 Luminescence lifetime refers to the elapsed time between an excitation event and an emission event. In some embodiments, the luminescence lifetime is expressed as a constant in the exponential decay equation. In some embodiments, the excitation energy is applied by one or more pulse events, and the elapsed time is the time between the pulse and the subsequent emission event.
分子の「発光寿命の決定」は、任意の好適な方法で実施されることが可能である(例えば、好適な技法を使用して寿命を測定することにより、または放射の時間依存的特徴を決定することにより)。いくつかの実施形態では、分子の発光寿命の決定は、1つまたは複数の分子(例えば、配列決定反応では、異なる発光標識ヌクレオチド)についての寿命を決定することを含む。いくつかの実施形態では、分子の発光寿命の決定は、基準物についての寿命を決定することを含む。いくつかの実施形態では、分子の発光寿命の決定は、寿命(例えば、蛍光寿命)を測定することを含む。いくつかの実施形態では、分子の発光寿命の決定は、寿命を指し示す1つまたは複数の時間的特徴を決定することを含む。いくつかの実施形態では、分子の発光寿命は、励起パルスについての、1つまたは複数の時間ゲート窓にわたって生じる複数の放射事象の分布に基づいて決定されることが可能である(例えば、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、30、40、50、60、70、80、90、または100回以上の放射事象)。例えば、単一分子の発光寿命は、励起パルスに関して測定された光子到達時間の分布に基づき、異なる発光寿命を有する複数の分子から判別されることが可能である。 "Determining the luminescence lifetime" of a molecule can be performed in any suitable manner (e.g., by measuring the lifetime using a suitable technique, or determining the time-dependent characteristics of the emission by doing). In some embodiments, determining the luminescent lifetime of a molecule comprises determining lifetimes for one or more molecules (eg, different luminescent labeled nucleotides in a sequencing reaction). In some embodiments, determining the luminescence lifetime of the molecule comprises determining the lifetime for a reference entity. In some embodiments, determining the emission lifetime of a molecule comprises measuring lifetime (eg, fluorescence lifetime). In some embodiments, determining the luminescence lifetime of the molecule comprises determining one or more temporal features indicative of lifetime. In some embodiments, the luminescence lifetime of a molecule can be determined based on the distribution of multiple emission events that occur over one or more time-gated windows for an excitation pulse (e.g., 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, or 100 or more radiation events). For example, the emission lifetime of a single molecule can be distinguished from multiple molecules with different emission lifetimes based on the distribution of photon arrival times measured with respect to the excitation pulse.
単一分子の発光寿命は、単一分子が励起状態に達した後で放射される光子のタイミングを指し示し、単一分子は、光子のタイミングを指し示す情報により判別されることが可能であることが理解されるべきである。いくつかの実施形態は、分子を、その分子により放射される光子と関連付けられる時間を測定することにより、その分子の発光寿命に基づいて複数の分子から判別することを含んでいてもよい。時間の分布は、その分布から決定されることが可能な発光寿命の指標を提供することができる。いくつかの実施形態では、単一分子は、時間の分布を既知分子に対応する基準分布と比較すること等により、時間の分布に基づいて複数の分子から判別可能である。いくつかの実施形態では、発光寿命の値は、時間の分布から決定される。 The emission lifetime of a single molecule indicates the timing of photons emitted after the single molecule reaches an excited state, and the single molecule can be discriminated by information indicating the timing of the photons. should be understood. Some embodiments may include distinguishing a molecule from a plurality of molecules based on the emission lifetime of the molecule by measuring the time associated with the photon emitted by the molecule. The time distribution can provide an indication of luminescence lifetime that can be determined from the distribution. In some embodiments, a single molecule can be distinguished from a plurality of molecules based on the distribution of time, such as by comparing the distribution of time to a reference distribution corresponding to known molecules. In some embodiments, the luminescence lifetime value is determined from the time distribution.
発光量子収量は、放射事象に結び付く、所与の波長でのまたは所与のスペクトル範囲内の励起事象の割合を指し、典型的には、1未満である。いくつかの実施形態では、本明細書に記述されている分子の発光量子収量は、0~約0.001、約0.001~約0.01、約0.01~約0.1、約0.1~約0.5、約0.5~0.9、または約0.9~1である。いくつかの実施形態では、分子は、発光量子収量を決定または推定することにより識別される。 Luminescence quantum yield refers to the fraction of excitation events at a given wavelength or within a given spectral range that lead to emission events, and is typically less than one. In some embodiments, the emission quantum yield of the molecules described herein is 0 to about 0.001, about 0.001 to about 0.01, about 0.01 to about 0.1, about 0.1 to about 0.5, about 0.5 to 0.9, or about 0.9 to 1. In some embodiments, molecules are identified by determining or estimating their emission quantum yield.
本明細書で使用される場合、単一分子の発光強度は、パルス励起エネルギーを加えることにより励起されている分子により放射される単位時間当たりの放射光子の数を指す。いくつかの実施形態では、発光強度は、パルス励起エネルギーを加えることにより励起されている分子により放射され、特定のセンサまたは特定の組のセンサにより検出される単位時間当たりの放射光子の検出数を指す。 As used herein, single-molecule luminescence intensity refers to the number of emitted photons per unit time emitted by a molecule that has been excited by the application of a pulsed excitation energy. In some embodiments, luminescence intensity is the detected number of emitted photons per unit time emitted by a molecule that has been excited by applying a pulsed excitation energy and detected by a particular sensor or set of sensors. Point.
発光寿命、発光量子収量、および発光強度は、異なる条件下での所与の分子に応じて様々であり得る。いくつかの実施形態では、単一分子で観察される発光寿命、発光量子収量、または発光強度は、分子の集合体の場合とは異なるだろう。いくつかの実施形態では、試料ウェル(例えば、ナノ開口部)に限局されている分子で観察される発光寿命、発光量子収量、または発光強度は、試料ウェルに限局されていない分子の場合とは異なるだろう。いくつかの実施形態では、別の分子に付着している発光標識または発光分子は、別の分子に付着していない発光標識または発光分子とは異なる発光寿命、発光量子収量、または発光強度を有するだろう。いくつかの実施形態では、巨大分子複合体(例えば、タンパク質複合体(例えば、核酸ポリメラーゼ))と相互作用する分子は、巨大分子複合体と相互作用しない分子とは異なる発光寿命、発光量子収量、または発光強度を有するだろう。 Emission lifetimes, emission quantum yields, and emission intensities can vary for a given molecule under different conditions. In some embodiments, the luminescence lifetime, luminescence quantum yield, or luminescence intensity observed for a single molecule will be different than for an assembly of molecules. In some embodiments, the luminescence lifetime, luminescence quantum yield, or luminescence intensity observed for molecules that are confined to a sample well (e.g., nanoaperture) is different than for molecules that are not confined to a sample well. would be different. In some embodiments, a luminescent label or molecule attached to another molecule has a different emission lifetime, emission quantum yield, or emission intensity than a luminescent label or molecule not attached to another molecule. right. In some embodiments, a molecule that interacts with a macromolecular complex (e.g., a protein complex (e.g., a nucleic acid polymerase)) has a different emission lifetime, emission quantum yield, or emission quantum yield than a molecule that does not interact with the macromolecular complex. or will have an emission intensity.
ある実施形態では、本出願に記載されている発光分子は、1つの光子を吸収し、ある経過時間後に1つの光子を放射する。いくつかの実施形態では、分子の発光寿命は、経過時間を測定することにより決定または推定されることが可能である。いくつかの実施形態では、分子の発光寿命は、複数のパルス事象および放射事象の複数の経過時間を測定することにより決定または推定されることが可能である。いくつかの実施形態では、分子の発光寿命は、経過時間を測定することにより、複数のタイプの分子の発光寿命と区別されることが可能である。いくつかの実施形態では、分子の発光寿命は、複数のパルス事象および放射事象の複数の経過時間を測定することにより、複数のタイプの分子の発光寿命と区別されることが可能である。ある実施形態では、分子は、分子の発光寿命を決定または推定することにより、複数のタイプの分子から識別または区別される。ある実施形態では、分子は、その分子の発光寿命を複数のタイプの分子の複数の発光寿命と区別することにより、複数のタイプの分子から識別または区別される。 In certain embodiments, the luminescent molecules described in this application absorb one photon and emit one photon after some elapsed time. In some embodiments, the luminescent lifetime of a molecule can be determined or estimated by measuring elapsed time. In some embodiments, the luminescence lifetime of a molecule can be determined or estimated by measuring multiple elapsed times of multiple pulse events and radiation events. In some embodiments, the luminescence lifetime of a molecule can be distinguished from the luminescence lifetimes of multiple types of molecules by measuring elapsed time. In some embodiments, the luminescence lifetime of a molecule can be distinguished from the luminescence lifetimes of multiple types of molecules by measuring multiple elapsed times of multiple pulse events and radiation events. In certain embodiments, a molecule is identified or distinguished from multiple types of molecules by determining or estimating the emission lifetime of the molecule. In certain embodiments, a molecule is identified or distinguished from multiple types of molecules by distinguishing the emission lifetime of the molecule from multiple emission lifetimes of multiple types of molecules.
ある実施形態では、発光放射事象は、蛍光である。ある実施形態では、発光放射事象は、リン光である。本明細書で使用される場合、用語「発光」は、蛍光およびリン光の両方を含む全ての発光事象を包含する。 In some embodiments, the luminescence emission event is fluorescence. In some embodiments, the luminescence emission event is phosphorescence. As used herein, the term "luminescence" encompasses all luminescent events, including both fluorescence and phosphorescence.
1つの態様では、本出願は、単一発光分子の発光寿命を決定するための方法であって、標的容積部中に発光分子を準備する工程、標的容積部の近傍に励起エネルギーの複数のパルスを加える工程、および発光分子からの複数の発光を検出する工程を備える方法を提供する。いくつかの実施形態では、上記方法は、各対のパルスおよび発光間の複数の経過時間の分布を評価する工程をさらに備える。いくつかの実施形態では、上記方法は、標的容積部中に単一発光分子を固定する工程をさらに備える。 In one aspect, the present application provides a method for determining the luminescence lifetime of a single luminescent molecule comprising the steps of providing the luminescent molecule in a target volume, multiple pulses of excitation energy in the vicinity of the target volume and detecting a plurality of emissions from the luminescent molecule. In some embodiments, the method further comprises evaluating a distribution of multiple elapsed times between each pair of pulses and emissions. In some embodiments, the method further comprises immobilizing a single luminescent molecule in the target volume.
別の態様では、本出願は、複数の分子の発光寿命を決定するための方法であって、標的容積部中に複数の発光分子を準備する工程、標的容積部の近傍に励起エネルギーの複数のパルスを加える工程、および発光分子からの複数の発光を検出する工程を備える方法を提供する。いくつかの実施形態では、上記方法は、各対のパルスおよび発光間の複数の経過時間の分布を評価する工程をさらに備える。いくつかの実施形態では、上記方法は、標的容積部中に複数の発光分子を固定する工程をさらに備える。いくつかの実施形態では、複数は、2個~約10個の分子、約10個~約100個の分子、または約100個~1000個の分子で構成される。いくつかの実施形態では、複数は、約1000~約106個の分子、約106~約109個の分子、約109~約1012個の分子、約1012~約1015個の分子、または約1015~約1018個の分子で構成される。いくつかの実施形態では、複数の分子は、全て同じタイプの分子である。 In another aspect, the present application provides a method for determining the luminescence lifetime of a plurality of molecules, comprising: providing a plurality of luminescent molecules in a target volume; A method is provided comprising pulsing and detecting a plurality of emissions from a luminescent molecule. In some embodiments, the method further comprises evaluating a distribution of multiple elapsed times between each pair of pulses and emissions. In some embodiments, the method further comprises immobilizing a plurality of luminescent molecules in the target volume. In some embodiments, a plurality consists of 2 to about 10 molecules, about 10 to about 100 molecules, or about 100 to 1000 molecules. In some embodiments, the plurality is from about 1000 to about 10 6 molecules, from about 10 6 to about 10 9 molecules, from about 10 9 to about 10 12 molecules, from about 10 12 to about 10 15 molecules, or from about 10 15 to about 10 18 molecules. In some embodiments, the multiple molecules are all of the same type of molecule.
図3には、異なる発光寿命(最長から最短、上から下)を有する4つの発光分子の例示的な減衰プロファイル3-1が表示されている。多数の分子を含む試料からの発光の強度は、振幅と呼ばれる場合がある。振幅は、初期励起後、発光寿命に従って指数関数的に経時減少する。あるいは、振幅は、例えば単一分子に対する励起エネルギーの複数のパルス後のある経過時間後に検出される放射の数またはカウントを指す場合がある。異なる発光寿命(最短から最長、上から下)を有する4つの発光分子の場合、正規化された累積分布関数3-2は、3-1に対応する。CDFは、発光振幅が、初期励起後に発光寿命に従って経時的にゼロに到達する正規化確率を表すことができる(例えば、発光した全ての励起分子の累積確率)。あるいは、CDFは、励起エネルギーの単一パルス後または複数のパルスの各々後のある経過時間で発光を放射する単一分子の正規化確率を表わすことができる。 Exemplary decay profiles 3-1 of four luminescent molecules with different emission lifetimes (longest to shortest, top to bottom) are displayed in FIG. The intensity of luminescence from a sample containing a large number of molecules is sometimes called the amplitude. After the initial excitation, the amplitude decreases exponentially with time according to the emission lifetime. Alternatively, amplitude may refer to the number or count of emissions detected after some elapsed time after multiple pulses of excitation energy for a single molecule, for example. For four luminescent molecules with different emission lifetimes (shortest to longest, top to bottom), the normalized cumulative distribution function 3-2 corresponds to 3-1. The CDF can represent the normalized probability that the emission amplitude reaches zero over time according to the emission lifetime after initial excitation (eg, the cumulative probability of all excited molecules emitting light). Alternatively, the CDF can represent the normalized probability of a single molecule emitting luminescence at some elapsed time after a single pulse of excitation energy or after each of multiple pulses.
1つの態様では、本出願は、単一発光分子の発光強度を決定するための方法であって、標的容積部中に発光分子を準備する工程、標的容積部の近傍に励起エネルギーの複数のパルスを加える工程、および発光分子からの複数の発光を検出する工程を備える方法を提供する。いくつかの実施形態では、上記方法は、単位時間当たりの複数の検出発光の数を決定する工程をさらに備える。いくつかの実施形態では、上記方法は、標的容積部中に単一発光分子を固定する工程をさらに備える。 In one aspect, the present application provides a method for determining the emission intensity of a single luminescent molecule comprising the steps of: providing the luminescent molecule in a target volume; multiple pulses of excitation energy in the vicinity of the target volume; and detecting a plurality of emissions from the luminescent molecule. In some embodiments, the method further comprises determining the number of multiple detected emissions per unit time. In some embodiments, the method further comprises immobilizing a single luminescent molecule in the target volume.
別の態様では、本出願は、複数の分子の発光強度を決定するための方法であって、標的容積部中に複数の発光分子を準備する工程、標的容積部の近傍に励起エネルギーの複数のパルスを加える工程、および発光分子からの複数の発光を検出する工程を備える方法を提供する。いくつかの実施形態では、上記方法は、単位時間当たりの複数の検出発光の数を決定する工程をさらに備える。いくつかの実施形態では、上記方法は、標的容積部中に複数の発光分子を固定する工程をさらに備える。いくつかの実施形態では、複数は、2個~約10個の分子、約10個~約100個の分子、または約100個~1000個の分子で構成される。いくつかの実施形態では、複数は、約1000~約106個の分子、約106~約109個の分子、約109~約1012個の分子、約1012~約1015個の分子、または約1015~約1018個の分子で構成される。いくつかの実施形態では、複数の分子は、全て同じタイプの分子である。 In another aspect, the present application provides a method for determining the luminescence intensity of a plurality of molecules, comprising: providing a plurality of luminescent molecules in a target volume; A method is provided comprising pulsing and detecting a plurality of emissions from a luminescent molecule. In some embodiments, the method further comprises determining the number of multiple detected emissions per unit time. In some embodiments, the method further comprises immobilizing a plurality of luminescent molecules in the target volume. In some embodiments, a plurality consists of 2 to about 10 molecules, about 10 to about 100 molecules, or about 100 to 1000 molecules. In some embodiments, the plurality is from about 1000 to about 10 6 molecules, from about 10 6 to about 10 9 molecules, from about 10 9 to about 10 12 molecules, from about 10 12 to about 10 15 molecules, or from about 10 15 to about 10 18 molecules. In some embodiments, the multiple molecules are all of the same type of molecule.
励起エネルギー
本明細書に記載されている方法の1つの態様では、1つまたは複数の励起エネルギーが、識別または判別しようとする分子の発光標識を励起させるために使用される。いくつかの実施形態では、励起エネルギーは、可視スペクトル内である。いくつかの実施形態では、励起エネルギーは、紫外スペクトル内である。いくつかの実施形態では、励起エネルギーは、赤外スペクトル内である。いくつかの実施形態では、1つの励起エネルギーが、発光標識分子を励起させるために使用される。いくつかの実施形態では、2つの励起エネルギーが、発光標識分子を励起させるために使用される。いくつかの実施形態では、3つ以上の励起エネルギーが、発光標識分子を励起させるために使用される。いくつかの実施形態では、各発光標識分子は、加えられる励起エネルギーの1つのみにより励起される。いくつかの実施形態では、発光標識分子は、加えられる励起エネルギーの2つ以上により励起される。ある実施形態では、励起エネルギーは、単色であってもよく、またはスペクトル範囲に限局されていてもよい。いくつかの実施形態では、スペクトル範囲は、約0.1nm~約1nm、約1nm~約2nm、または約2nm~約5nmの範囲を有する。いくつかの実施形態では、スペクトル範囲は、約5nm~約10nm、約10nm~約50nm、または約50nm~約100nmの範囲を有する。
Excitation Energy In one aspect of the methods described herein, one or more excitation energies are used to excite the luminescent label of the molecule to be identified or distinguished. In some embodiments, the excitation energy is within the visible spectrum. In some embodiments the excitation energy is in the ultraviolet spectrum. In some embodiments the excitation energy is in the infrared spectrum. In some embodiments, one excitation energy is used to excite the luminescent labeled molecule. In some embodiments, two excitation energies are used to excite the luminescent labeled molecule. In some embodiments, three or more excitation energies are used to excite the luminescent labeled molecule. In some embodiments, each luminescent labeled molecule is excited by only one of the applied excitation energies. In some embodiments, the luminescent labeled molecule is excited by two or more of the applied excitation energies. In some embodiments, the excitation energy may be monochromatic or confined to a spectral range. In some embodiments, the spectral range ranges from about 0.1 nm to about 1 nm, from about 1 nm to about 2 nm, or from about 2 nm to about 5 nm. In some embodiments, the spectral range ranges from about 5 nm to about 10 nm, from about 10 nm to about 50 nm, or from about 50 nm to about 100 nm.
ある実施形態では、励起エネルギーは、光のパルスとして加えられる。ある実施形態では、励起エネルギーは、光の複数のパルスとして加えられる。ある実施形態では、発光標識分子を励起させるために、2つ以上の励起エネルギーが使用される。いくつかの実施形態では、各励起エネルギーは、同時に加えられる(例えば、各パルスで)。いくつかの実施形態では、各励起エネルギーは異なる時点で加えられる(例えば、各エネルギーの個別のパルスで)。異なる励起エネルギーは、標的分子からの発光の検出を可能にするのに十分な任意のパターンで加えられることが可能である。いくつかの実施形態では、各パルスで2つの励起エネルギーが加えられる。いくつかの実施形態では、第1の励起エネルギーおよび第2の励起エネルギーが、交互のパルスで加えられる。いくつかの実施形態では、第1の励起エネルギーは、一連の順次パルスで加えられ、第2の励起エネルギーは、その後の一連の順次パルスで、またはそのような一連の交互パターンで加えられる。 In some embodiments, the excitation energy is applied as pulses of light. In some embodiments, the excitation energy is applied as multiple pulses of light. In some embodiments, two or more excitation energies are used to excite the luminescent labeled molecule. In some embodiments, each excitation energy is applied simultaneously (eg, in each pulse). In some embodiments, each excitation energy is applied at different times (eg, in separate pulses of each energy). Different excitation energies can be applied in any pattern sufficient to allow detection of luminescence from the target molecule. In some embodiments, two excitation energies are applied in each pulse. In some embodiments, the first excitation energy and the second excitation energy are applied in alternating pulses. In some embodiments, the first excitation energy is applied in a series of sequential pulses and the second excitation energy is applied in a subsequent series of sequential pulses or in a series of such alternating patterns.
ある実施形態では、光のパルスの周波数は、発光標識分子の発光特性に基づいて選択される。ある実施形態では、光のパルスの周波数は、複数の発光標識ヌクレオチドの発光特性に基づいて選択される。ある実施形態では、光のパルスの周波数は、複数の発光標識ヌクレオチドの発光寿命に基づいて選択される。いくつかの実施形態では、周波数は、パルス間の間隔が、1つまたは複数の発光標識ヌクレオチドの発光寿命より長くなるように選択される。いくつかの実施形態では、周波数は、複数の発光標識ヌクレオチドの最長発光寿命に基づいて選択される。例えば、4つの発光標識ヌクレオチドの発光寿命が、0.25、0.5、1.0、および1.5nsである場合、光のパルスの周波数は、パルス間の間隔が1.5nsより大きくなるように選択されてもよい。いくつかの実施形態では、間隔は、励起されている1つまたは複数の発光標識分子の発光寿命よりも、約2倍~約10倍、約10倍~約100倍、または約100倍から約1000倍だけ長い。いくつかの実施形態では、間隔は、励起されている1つまたは複数の発光標識分子の発光寿命よりも約10倍だけ長い。いくつかの実施形態では、間隔は、約0.01ns~約0.1ns、約1ns~約5ns、約5nsから約15ns、約15ns~約25ns、または約25ns~約50nsである。いくつかの実施形態では、間隔は、パルスにより励起された分子が発光減衰することになる確率または励起状態が別の機序で緩和することになる確率が、50%、75%、90%、95%、または99%になるように選択される。 In some embodiments, the frequency of the pulses of light is selected based on the luminescent properties of the luminescent label molecule. In some embodiments, the frequency of the pulses of light is selected based on the luminescence properties of the plurality of luminescently labeled nucleotides. In some embodiments, the frequency of the pulses of light is selected based on the luminescence lifetimes of the plurality of luminescently labeled nucleotides. In some embodiments, the frequency is selected such that the interval between pulses is longer than the luminescent lifetime of one or more luminescently labeled nucleotides. In some embodiments, the frequency is selected based on the longest luminescent lifetime of multiple luminescently labeled nucleotides. For example, if the emission lifetimes of four luminescently labeled nucleotides are 0.25, 0.5, 1.0, and 1.5 ns, the frequency of the pulses of light will be greater than 1.5 ns between pulses. may be selected as In some embodiments, the spacing is about 2 to about 10 times, about 10 to about 100 times, or about 100 to about 10 times longer than the emission lifetime of one or more luminescent label molecules being excited. Only 1000 times longer. In some embodiments, the interval is about 10 times longer than the emission lifetime of the one or more luminescent labeled molecules being excited. In some embodiments, the interval is about 0.01 ns to about 0.1 ns, about 1 ns to about 5 ns, about 5 ns to about 15 ns, about 15 ns to about 25 ns, or about 25 ns to about 50 ns. In some embodiments, the interval is 50%, 75%, 90%, 50%, 75%, 90%, Selected to be 95% or 99%.
ある実施形態では、複数の励起エネルギーが存在する場合、各励起エネルギーのパルスの周波数は同じである。ある実施形態では、複数の励起エネルギーが存在する場合、各励起エネルギーのパルスの周波数は異なっている。例えば、0.2nsおよび0.5nsの寿命を有する発光分子を励起させるために赤色レーザーが使用され、5nsおよび7nsの寿命を有する発光分子を励起させるために緑色レーザーが使用される場合、各赤色レーザーパルス後の間隔は、各緑色レーザーパルス後の間隔(例えば、20ns)よりも短くともよい(例えば、5ns)。
In some embodiments, when multiple excitation energies are present, the frequency of each excitation energy pulse is the same. In some embodiments, when multiple excitation energies are present, the frequency of each excitation energy pulse is different. For example, if a red laser is used to excite luminescent molecules with lifetimes of 0.2 ns and 0.5 ns and a green laser is used to excite luminescent molecules with lifetimes of 5 ns and 7 ns, then each red The interval after a laser pulse may be shorter (eg 5 ns) than the interval after each green laser pulse (
ある実施形態では、パルス励起エネルギーの周波数は、モニター中の化学プロセスに基づいて選択される。配列決定反応の場合、周波数は、いくつかのパルスが加えられて、検出しようとする十分な数の放射光子の検出が可能になるように選択されることが可能である。光子検出の文脈における十分な数とは、発光標識ヌクレオチドを、複数の発光標識ヌクレオチドから識別または判別するのに必要な光子の数を指す。例えば、DNAポリメラーゼは、追加のヌクレオチドを、平均で20ミリ秒毎に組み込むことができる。発光標識ヌクレオチドが複合体と相互作用する時間は、約10ミリ秒であってもよく、発光マーカーが切断されてから、次の発光標識ヌクレオチドが相互作用し始めるまでの時間は、約10ミリ秒であってもよい。その後、パルス励起エネルギーの周波数は、十分な数の放射光子が、発光標識ヌクレオチドの組み込み中の10ミリ秒間で検出されるように、10ミリ秒間にわたって十分なパルスを加えるように選択されることが可能である。例えば、100MHzの周波数では、10ミリ秒間(組み込み事象のおおよその長さ)のパルスは100万回となる。これらパルスの0.1%が、光子検出に結び付く場合、組み込み中の発光標識ヌクレオチドの同一性を決定するために分析されることが可能な発光データポイントは1,000個になるだろう。上記の値はいずれも、非限定的である。いくつかの実施形態では、組み込み事象は、1ms~20ms、20ms~100ms、または100ms~500msの時間を要する場合がある。複数の励起エネルギーが時間的に隔てられているパルスで加えられるいくつかの実施形態では、発光標識ヌクレオチドは、パルスの部分によってのみ励起されてもよい。いくつかの実施形態では、複数の励起エネルギーのパルスの周波数およびパターンは、パルスの数が、複数の発光標識ヌクレオチドのいずれか1つを励起させて、検出しようとする十分な数の放射光子の検出を可能にするのに十分であるように選択される。 In some embodiments, the frequency of pulsed excitation energy is selected based on the chemical process being monitored. For sequencing reactions, the frequency can be selected such that several pulses are applied to allow detection of a sufficient number of emitted photons to be detected. A sufficient number in the context of photon detection refers to the number of photons required to distinguish or discriminate a luminescence-labeled nucleotide from a plurality of luminescence-labeled nucleotides. For example, a DNA polymerase can incorporate an additional nucleotide on average every 20 milliseconds. The time for a luminescent-labeled nucleotide to interact with the complex may be about 10 ms, and the time between cleavage of the luminescent marker and the start of interaction of the next luminescent-labeled nucleotide is about 10 ms. may be The frequency of the pulsed excitation energy can then be selected to apply sufficient pulses for 10 milliseconds such that a sufficient number of emitted photons are detected in 10 milliseconds during incorporation of the luminescently labeled nucleotide. It is possible. For example, at a frequency of 100 MHz, a pulse of 10 milliseconds (the approximate length of the built-in event) would be 1 million times. If 0.1% of these pulses resulted in photon detection, there would be 1,000 luminescence data points that could be analyzed to determine the identity of the luminescence-labeled nucleotide during incorporation. Any of the above values are non-limiting. In some embodiments, an integration event may take between 1 ms and 20 ms, between 20 ms and 100 ms, or between 100 ms and 500 ms. In some embodiments in which multiple excitation energies are applied in temporally separated pulses, the luminescently labeled nucleotide may be excited only during a portion of the pulse. In some embodiments, the frequency and pattern of the plurality of excitation energy pulses is such that the number of pulses excites any one of the plurality of luminescently labeled nucleotides to produce a sufficient number of emitted photons to be detected. It is chosen to be sufficient to allow detection.
いくつかの実施形態では、パルスの周波数は、約1MHz~約10MHzである。いくつかの実施形態では、パルスの周波数は、約10MHz~約100MHzである。いくつかの実施形態では、パルスの周波数は、約100MHz~約1GHzである。いくつかの実施形態では、パルスの周波数は、約50MHz~約200MHzである。いくつかの実施形態では、パルスの周波数は、約100MHzである。いくつかの実施形態では、周波数は、確率論的である。 In some embodiments, the frequency of pulses is from about 1 MHz to about 10 MHz. In some embodiments, the frequency of pulses is from about 10 MHz to about 100 MHz. In some embodiments, the frequency of pulses is from about 100 MHz to about 1 GHz. In some embodiments, the frequency of pulses is from about 50 MHz to about 200 MHz. In some embodiments, the frequency of pulses is about 100 MHz. In some embodiments, the frequencies are stochastic.
ある実施形態では、励起エネルギーは、約500nm~約700nmである。いくつかの実施形態では、励起エネルギーは、約500nm~約600nm、または約600nm~約700nmである。いくつかの実施形態では、励起エネルギーは、約500nm~約550nm、約550nm~約600nm、約600nm~約650nm、または約650nm~約700nmである。 In some embodiments, the excitation energy is between about 500 nm and about 700 nm. In some embodiments, the excitation energy is from about 500 nm to about 600 nm, or from about 600 nm to about 700 nm. In some embodiments, the excitation energy is from about 500 nm to about 550 nm, from about 550 nm to about 600 nm, from about 600 nm to about 650 nm, or from about 650 nm to about 700 nm.
ある実施形態では、本明細書に記載の方法は、2つの励起エネルギーを加える工程を備える。いくつかの実施形態では、2つの励起エネルギーは、約5nm~約20nm、約20nm~約40nm、約40nm~約60nm、約60nm~約80nm、約80nm~約100nm、約100nm~約150nm、約150nm~約200nm、約200nm~約400nm、または少なくとも約400nmだけ隔てられている。いくつかの実施形態では、2つの励起エネルギーは、約20nm~約80nmまたは約80nm~約160nmだけ隔てられている。 In some embodiments, the methods described herein comprise applying two excitation energies. In some embodiments, the two excitation energies are about 5 nm to about 20 nm, about 20 nm to about 40 nm, about 40 nm to about 60 nm, about 60 nm to about 80 nm, about 80 nm to about 100 nm, about 100 nm to about 150 nm, about separated by 150 nm to about 200 nm, about 200 nm to about 400 nm, or at least about 400 nm. In some embodiments, the two excitation energies are separated by about 20 nm to about 80 nm or about 80 nm to about 160 nm.
励起エネルギーが、特定の範囲にあると参照されている場合、励起エネルギーは、波長が範囲の間にあるかまたは範囲の終点であるような単一波長を含んでいてもよく、または励起エネルギーは、最大強度が範囲の間にあるかまたは範囲の終点であるような最大強度を有する波長のスペクトルを含んでいてもよい。 Where the excitation energy is referred to as being in a particular range, the excitation energy may include a single wavelength such that the wavelength is between or at the endpoints of the range, or the excitation energy may be , may include a spectrum of wavelengths with maxima such that the maxima are between ranges or at the endpoints of ranges.
ある実施形態では、第1の励起エネルギーは、450nm~500nmの範囲であり、第2の励起エネルギーは、500nm~550nm、550nm~600nm、600nm~650nm、または650nm~700nmの範囲である。ある実施形態では、第1の励起エネルギーは、500nm~550nmの範囲であり、第2の励起エネルギーは、450nm~500nm、550nm~600nm、600nm~650nm、または650nm~700nmの範囲である。ある実施形態では、第1の励起エネルギーは、550nm~600nmの範囲であり、第2の励起エネルギーは、450nm~500nm、500nm~550nm、600nm~650nm、または650nm~700nmの範囲である。ある実施形態では、第1の励起エネルギーは、600nm~650nmの範囲であり、第2の励起エネルギーは、450nm~500nm、500nm~550nm、550nm~600nm、または650nm~700nmの範囲である。ある実施形態では、第1の励起エネルギーは、650nm~700nmの範囲であり、第2の励起エネルギーは、450nm~500nm、500nm~550nm、550nm~600nm、または600nm~650nmの範囲である。 In some embodiments, the first excitation energy ranges from 450 nm to 500 nm and the second excitation energy ranges from 500 nm to 550 nm, 550 nm to 600 nm, 600 nm to 650 nm, or 650 nm to 700 nm. In some embodiments, the first excitation energy ranges from 500 nm to 550 nm and the second excitation energy ranges from 450 nm to 500 nm, 550 nm to 600 nm, 600 nm to 650 nm, or 650 nm to 700 nm. In some embodiments, the first excitation energy ranges from 550 nm to 600 nm and the second excitation energy ranges from 450 nm to 500 nm, 500 nm to 550 nm, 600 nm to 650 nm, or 650 nm to 700 nm. In some embodiments, the first excitation energy ranges from 600 nm to 650 nm and the second excitation energy ranges from 450 nm to 500 nm, 500 nm to 550 nm, 550 nm to 600 nm, or 650 nm to 700 nm. In some embodiments, the first excitation energy ranges from 650 nm to 700 nm and the second excitation energy ranges from 450 nm to 500 nm, 500 nm to 550 nm, 550 nm to 600 nm, or 600 nm to 650 nm.
ある実施形態では、第1の励起エネルギーは、450nm~500nmの範囲であり、第2の励起エネルギーは、500nm~550nmの範囲である。ある実施形態では、第1の励起エネルギーは、450nm~500nmの範囲であり、第2の励起エネルギーは、550nm~600nmの範囲である。ある実施形態では、第1の励起エネルギーは、450nm~500nmの範囲であり、第2の励起エネルギーは、600nm~670nmの範囲である。ある実施形態では、第1の励起エネルギーは、500nm~550nmの範囲であり、第2の励起エネルギーは、550nm~600nmの範囲である。ある実施形態では、第1の励起エネルギーは、500nm~550nmの範囲であり、第2の励起エネルギーは、600nm~670nmの範囲である。ある実施形態では、第1の励起エネルギーは、550nm~600nmの範囲であり、第2の励起エネルギーは、600nm~670nmの範囲である。ある実施形態では、第1の励起エネルギーは、470nm~510nmの範囲であり、第2の励起エネルギーは、510nm~550nmの範囲である。ある実施形態では、第1の励起エネルギーは、470nm~510nmの範囲であり、第2の励起エネルギーは、550nm~580nmの範囲である。ある実施形態では、第1の励起エネルギーは、470nm~510nmの範囲であり、第2の励起エネルギーは、580nm~620nmの範囲である。ある実施形態では、第1の励起エネルギーは、470nm~510nmの範囲であり、第2の励起エネルギーは、620nm~670nmの範囲である。ある実施形態では、第1の励起エネルギーは、510nm~550nmの範囲であり、第2の励起エネルギーは、550nm~580nmの範囲である。ある実施形態では、第1の励起エネルギーは、510nm~550nmの範囲であり、第2の励起エネルギーは、580nm~620nmの範囲である。ある実施形態では、第1の励起エネルギーは、510nm~550nmの範囲であり、第2の励起エネルギーは、620nm~670nmの範囲である。ある実施形態では、第1の励起エネルギーは、550nm~580nmの範囲であり、第2の励起エネルギーは、580nm~620nmの範囲である。ある実施形態では、第1の励起エネルギーは、550nm~580nmの範囲であり、第2の励起エネルギーは、620nm~670nmの範囲である。ある実施形態では、第1の励起エネルギーは、580nm~620nmの範囲であり、第2の励起エネルギーは、620nm~670nmの範囲である。 In some embodiments, the first excitation energy ranges from 450 nm to 500 nm and the second excitation energy ranges from 500 nm to 550 nm. In some embodiments, the first excitation energy ranges from 450 nm to 500 nm and the second excitation energy ranges from 550 nm to 600 nm. In some embodiments, the first excitation energy ranges from 450 nm to 500 nm and the second excitation energy ranges from 600 nm to 670 nm. In some embodiments, the first excitation energy ranges from 500 nm to 550 nm and the second excitation energy ranges from 550 nm to 600 nm. In some embodiments, the first excitation energy ranges from 500 nm to 550 nm and the second excitation energy ranges from 600 nm to 670 nm. In some embodiments, the first excitation energy ranges from 550 nm to 600 nm and the second excitation energy ranges from 600 nm to 670 nm. In some embodiments, the first excitation energy ranges from 470 nm to 510 nm and the second excitation energy ranges from 510 nm to 550 nm. In one embodiment, the first excitation energy ranges from 470 nm to 510 nm and the second excitation energy ranges from 550 nm to 580 nm. In one embodiment, the first excitation energy ranges from 470 nm to 510 nm and the second excitation energy ranges from 580 nm to 620 nm. In some embodiments, the first excitation energy ranges from 470 nm to 510 nm and the second excitation energy ranges from 620 nm to 670 nm. In some embodiments, the first excitation energy ranges from 510 nm to 550 nm and the second excitation energy ranges from 550 nm to 580 nm. In some embodiments, the first excitation energy ranges from 510 nm to 550 nm and the second excitation energy ranges from 580 nm to 620 nm. In some embodiments, the first excitation energy ranges from 510 nm to 550 nm and the second excitation energy ranges from 620 nm to 670 nm. In some embodiments, the first excitation energy ranges from 550 nm to 580 nm and the second excitation energy ranges from 580 nm to 620 nm. In one embodiment, the first excitation energy ranges from 550 nm to 580 nm and the second excitation energy ranges from 620 nm to 670 nm. In some embodiments, the first excitation energy ranges from 580 nm to 620 nm and the second excitation energy ranges from 620 nm to 670 nm.
標的容積部へと励起エネルギーパルスを加えるための励起エネルギー源およびデバイスのある実施形態は、本明細書の他所に記載されている。
発光標識ヌクレオチド
1つの態様では、本明細書に記載の方法および組成物は、1つまたは複数の発光標識ヌクレオチドを含む。ある実施形態では、1つまたは複数のヌクレオチドは、デオキシリボースヌクレオシドを含む。ある実施形態では、ヌクレオチドは全て、デオキシリボースヌクレオシドを含む。ある実施形態では、1つまたは複数のヌクレオチドは、リボースヌクレオシドを含む。ある実施形態では、ヌクレオチドは全て、リボースヌクレオシドを含む。いくつかの実施形態では、1つまたは複数のヌクレオチドは、修飾リボース糖またはリボース類似体(例えば、ロックド核酸)を含む。いくつかの実施形態では、1つまたは複数のヌクレオチドは、天然塩基(例えば、シトシン、グアニン、アデニン、チミン、ウラシル)を含む。いくつかの実施形態では、1つまたは複数のヌクレオチドは、シトシン、グアニン、アデニン、チミン、またはウラシルの誘導体または類似体を含む。
Certain embodiments of excitation energy sources and devices for applying pulses of excitation energy to a target volume are described elsewhere herein.
Luminescently Labeled Nucleotides In one aspect, the methods and compositions described herein comprise one or more luminescently labeled nucleotides. In certain embodiments, one or more nucleotides comprises a deoxyribose nucleoside. In some embodiments, all nucleotides include deoxyribose nucleosides. In certain embodiments, one or more nucleotides comprises a ribose nucleoside. In some embodiments, all nucleotides include ribose nucleosides. In some embodiments, one or more nucleotides comprise a modified ribose sugar or ribose analogue (eg, locked nucleic acid). In some embodiments, one or more nucleotides include natural bases (eg, cytosine, guanine, adenine, thymine, uracil). In some embodiments, one or more nucleotides comprise a derivative or analogue of cytosine, guanine, adenine, thymine, or uracil.
ある実施形態では、方法は、ポリメラーゼ複合体を、複数の発光標識ヌクレオチドに曝露する工程を備える。ある実施形態では、組成物またはデバイスは、複数の発光標識ヌクレオチドを含む反応混合物を含む。いくつかの実施形態では、複数のヌクレオチドは、4つのタイプのヌクレオチドを含む。いくつかの実施形態では、4つのタイプのヌクレオチドは各々、シトシン、グアニン、アデニン、およびチミンの1つを含む。いくつかの実施形態では、4つのタイプのヌクレオチドは各々、シトシン、グアニン、アデニン、およびウラシルの1つを含む。 In some embodiments, the method comprises exposing the polymerase complex to a plurality of luminescently labeled nucleotides. In some embodiments, the composition or device comprises a reaction mixture comprising a plurality of luminescently labeled nucleotides. In some embodiments the plurality of nucleotides comprises four types of nucleotides. In some embodiments, each of the four types of nucleotides includes one of cytosine, guanine, adenine, and thymine. In some embodiments, each of the four types of nucleotides includes one of cytosine, guanine, adenine, and uracil.
ある実施形態では、反応混合物中の各タイプの発光標識ヌクレオチドの濃度は、約50nM~約200nM、約200nM~約500nM、約500nM~約1μM、約1μM~約50μM、または約50μM~250μMである。いくつかの実施形態では、反応混合物中の各タイプの発光標識ヌクレオチドの濃度は、約250nM~約2μMである。いくつかの実施形態では、反応混合物中の各タイプの発光標識ヌクレオチドの濃度は、約1μMである。 In certain embodiments, the concentration of each type of luminescently labeled nucleotide in the reaction mixture is about 50 nM to about 200 nM, about 200 nM to about 500 nM, about 500 nM to about 1 μM, about 1 μM to about 50 μM, or about 50 μM to 250 μM. . In some embodiments, the concentration of each type of luminescently labeled nucleotide in the reaction mixture is from about 250 nM to about 2 μM. In some embodiments, the concentration of each type of luminescently labeled nucleotide in the reaction mixture is about 1 μM.
ある実施形態では、反応混合物は、配列決定反応に使用される追加の試薬を含有する。いくつかの実施形態では、反応混合物は、緩衝剤を含む。いくつかの実施形態では、緩衝剤は、3-(N-モルホリノ)プロパンスルホン酸(MOPS)を含む。いくつかの実施形態では、緩衝剤は、約1mM~約100mMの濃度で存在する。いくつかの実施形態では、MOPSの濃度は、約50mMである。いくつかの実施形態では、反応混合物は、1つまたは複数の塩を含む。いくつかの実施形態では、塩は、酢酸カリウムを含む。いくつかの実施形態では、酢酸カリウムの濃度は、約140mMである。いくつかの実施形態では、塩は、約1mM~約200mMの濃度で存在する。いくつかの実施形態では、反応混合物は、マグネシウム塩(例えば、酢酸マグネシウム)を含む。いくつかの実施形態では、酢酸マグネシウムの濃度は、約20mMである。いくつかの実施形態では、マグネシウム塩は、約1mM~約50mMの濃度で存在する。いくつかの実施形態では、反応混合物は、還元剤を含む。いくつかの実施形態では、還元剤は、ジチオトレイトール(DTT)である。いくつかの実施形態では、還元剤は、約1mM~約50mMの濃度で存在する。いくつかの実施形態では、DTTの濃度は、約5mMである。いくつかの実施形態では、反応混合物は、1つまたは複数の光安定剤を含む。いくつかの実施形態では、反応混合物は、抗酸化剤、脱酸素剤、または三重項状態クエンチャーを含む。いくつかの実施形態では、光安定剤は、プロトカテク酸(PCA)を含む。いくつかの実施形態では、光安定剤は、4-ニトロベンジルアルコール(NBA)を含む。いくつかの実施形態では、光安定剤は、約0.1mM~約20mMの濃度で存在する。いくつかの実施形態では、PCAの濃度は、約3mMである。いくつかの実施形態では、NBAの濃度は、約3mMである。また、光安定剤(例えば、PCA)を有する混合物は、光安定剤を再生するための酵素(例えば、プロトカテク酸ジオキシゲナーゼ(PCD))を含んでいてもよい。いくつかの実施形態では、PCDの濃度は、約0.3mMである。 In certain embodiments, the reaction mixture contains additional reagents used in the sequencing reaction. In some embodiments, the reaction mixture includes a buffer. In some embodiments, the buffering agent comprises 3-(N-morpholino)propanesulfonic acid (MOPS). In some embodiments, buffering agents are present at concentrations from about 1 mM to about 100 mM. In some embodiments, the concentration of MOPS is about 50 mM. In some embodiments, the reaction mixture includes one or more salts. In some embodiments the salt comprises potassium acetate. In some embodiments, the concentration of potassium acetate is about 140 mM. In some embodiments, the salt is present at a concentration of about 1 mM to about 200 mM. In some embodiments, the reaction mixture includes a magnesium salt (eg, magnesium acetate). In some embodiments, the concentration of magnesium acetate is about 20 mM. In some embodiments, the magnesium salt is present at a concentration of about 1 mM to about 50 mM. In some embodiments, the reaction mixture includes a reducing agent. In some embodiments, the reducing agent is dithiothreitol (DTT). In some embodiments, the reducing agent is present at a concentration of about 1 mM to about 50 mM. In some embodiments, the concentration of DTT is about 5 mM. In some embodiments, the reaction mixture includes one or more light stabilizers. In some embodiments, the reaction mixture includes an antioxidant, oxygen scavenger, or triplet state quencher. In some embodiments, the light stabilizer comprises protocatechuic acid (PCA). In some embodiments, the light stabilizer comprises 4-nitrobenzyl alcohol (NBA). In some embodiments, the photostabilizer is present at a concentration of about 0.1 mM to about 20 mM. In some embodiments, the concentration of PCA is about 3 mM. In some embodiments, the concentration of NBA is about 3 mM. Mixtures with light stabilizers (eg, PCA) may also include an enzyme (eg, protocatechuate dioxygenase (PCD)) to regenerate the light stabilizer. In some embodiments, the concentration of PCD is about 0.3 mM.
本出願には、ヌクレオチドを複数のヌクレオチドと区別するための様々な方法が企図されている。ある実施形態では、発光標識ヌクレオチドの各々は、異なる発光寿命を有する。ある実施形態では、発光標識ヌクレオチドの2つ以上は、同じ発光寿命または実質的に同じ発光寿命(例えば、上記方法またはデバイスにより判別されることができない寿命)を有する。 The present application contemplates various methods for distinguishing nucleotides from multiple nucleotides. In some embodiments, each of the luminescently labeled nucleotides has a different luminescent lifetime. In certain embodiments, two or more of the luminescently labeled nucleotides have the same or substantially the same luminescent lifetime (eg, lifetimes that cannot be determined by the methods or devices described above).
ある実施形態では、発光標識ヌクレオチドの各々は、異なるスペクトル範囲の励起エネルギーを吸収する。ある実施形態では、発光標識ヌクレオチドの2つは、同じスペクトル範囲の励起エネルギーを吸収する。ある実施形態では、発光標識ヌクレオチドの3つは、同じスペクトル範囲の励起エネルギーを吸収する。ある実施形態では、発光標識ヌクレオチドの4つ以上は、同じスペクトル範囲の励起エネルギーを吸収する。ある実施形態では、発光標識ヌクレオチドの2つは、異なるスペクトル範囲の励起エネルギーを吸収する。ある実施形態では、発光標識ヌクレオチドの3つは、異なるスペクトル範囲の励起エネルギーを吸収する。ある実施形態では、発光標識ヌクレオチドの4つ以上は、異なるスペクトル範囲の励起エネルギーを吸収する。 In certain embodiments, each of the luminescently labeled nucleotides absorbs excitation energies in different spectral ranges. In some embodiments, two of the luminescently labeled nucleotides absorb excitation energies in the same spectral range. In some embodiments, three of the luminescently labeled nucleotides absorb excitation energies in the same spectral range. In some embodiments, four or more of the luminescently labeled nucleotides absorb excitation energies in the same spectral range. In certain embodiments, two of the luminescently labeled nucleotides absorb excitation energies in different spectral ranges. In some embodiments, three of the luminescently labeled nucleotides absorb excitation energies in different spectral ranges. In some embodiments, four or more of the luminescently labeled nucleotides absorb excitation energies in different spectral ranges.
ある実施形態では、発光標識ヌクレオチドの各々は、異なるスペクトル範囲の光子を放射する。ある実施形態では、発光標識ヌクレオチドの2つは、同じスペクトル範囲の光子を放射する。ある実施形態では、発光標識ヌクレオチドの3つは、同じスペクトル範囲の光子を放射する。ある実施形態では、発光標識ヌクレオチドの4つ以上は、同じスペクトル範囲の光子を放射する。ある実施形態では、発光標識ヌクレオチドの2つは、異なるスペクトル範囲の光子を放射する。ある実施形態では、発光標識ヌクレオチドの3つは、異なるスペクトル範囲の光子を放射する。ある実施形態では、発光標識ヌクレオチドの4つ以上は、異なるスペクトル範囲の光子を放射する。 In some embodiments, each of the luminescently labeled nucleotides emits photons in different spectral ranges. In some embodiments, two of the luminescently labeled nucleotides emit photons in the same spectral range. In some embodiments, three of the luminescently labeled nucleotides emit photons in the same spectral range. In some embodiments, four or more of the luminescently labeled nucleotides emit photons in the same spectral range. In some embodiments, two of the luminescently labeled nucleotides emit photons in different spectral ranges. In some embodiments, three of the luminescently labeled nucleotides emit photons in different spectral ranges. In some embodiments, four or more of the luminescently labeled nucleotides emit photons in different spectral ranges.
ある実施形態では、4つの発光標識ヌクレオチドの各々は、異なる発光寿命を有する。ある実施形態では、2つ以上の発光標識ヌクレオチドは、異なる発光寿命を有し、第1のスペクトル範囲の光子を吸収および/または放射し、1つまたは複数の発光標識ヌクレオチドは、第2のスペクトル範囲の光子を吸収および/または放射する。いくつかの実施形態では、3つの発光標識ヌクレオチドの各々は、異なる発光寿命を有し、第1のスペクトル範囲の発光を放射し、第4の発光標識ヌクレオチドは、第2のスペクトル範囲の光子を吸収および/または放射する。いくつかの実施形態では、2つの発光標識ヌクレオチドの各々は、異なる発光寿命を有し、第1のスペクトル範囲の発光を放射し、第3および第4の発光標識ヌクレオチドは各々、異なる発光寿命を有し、第2のスペクトル範囲の発光を放射する。 In some embodiments, each of the four luminescently labeled nucleotides has a different luminescent lifetime. In certain embodiments, two or more luminescently labeled nucleotides have different luminescent lifetimes and absorb and/or emit photons in a first spectral range, and one or more luminescently labeled nucleotides are in a second spectral range. Absorbs and/or emits a range of photons. In some embodiments, each of the three luminescent-labeled nucleotides has a different emission lifetime and emits luminescence in a first spectral range, and the fourth luminescent-labeled nucleotide emits photons in a second spectral range. Absorb and/or emit. In some embodiments, each of the two luminescent-labeled nucleotides has a different emission lifetime and emits in the first spectral range, and the third and fourth luminescent-labeled nucleotides each have a different emission lifetime. and emits emission in the second spectral range.
ある実施形態では、4つの発光標識ヌクレオチドの各々は、異なる発光強度を有する。ある実施形態では、2つ以上の発光標識ヌクレオチドは、異なる発光強度を有し、第1のスペクトル範囲の発光を放射し、1つまたは複数の発光標識ヌクレオチドは、第2のスペクトル範囲の光子を吸収および/または放射する。いくつかの実施形態では、3つの発光標識ヌクレオチドの各々は、異なる発光強度を有し、第1のスペクトル範囲の発光を放射し、第4の発光標識ヌクレオチドは、第2のスペクトル範囲の光子を吸収および/または放射する。いくつかの実施形態では、2つの発光標識ヌクレオチドの各々は、異なる発光強度を有し、第1のスペクトル範囲の発光を放射し、第3および第4の発光標識ヌクレオチドは各々、異なる発光強度を有し、第2のスペクトル範囲の発光を放射する。 In some embodiments, each of the four luminescently labeled nucleotides has a different emission intensity. In certain embodiments, two or more luminescently labeled nucleotides have different emission intensities and emit luminescence in a first spectral range, and one or more luminescently labeled nucleotides emit photons in a second spectral range. Absorb and/or emit. In some embodiments, each of the three luminescently labeled nucleotides has a different emission intensity and emits luminescence in a first spectral range, and the fourth luminescently labeled nucleotide emits photons in a second spectral range. Absorb and/or emit. In some embodiments, each of the two luminescently labeled nucleotides has a different emission intensity and emits in the first spectral range, and the third and fourth luminescently labeled nucleotides each have a different emission intensity. and emits emission in the second spectral range.
ある実施形態では、4つの発光標識ヌクレオチドの各々は、異なる発光寿命または発光強度を有する。ある実施形態では、2つ以上の発光標識ヌクレオチドは、異なる発光寿命または発光強度を有し、第1のスペクトル範囲の発光を放射し、1つまたは複数の発光標識ヌクレオチドは、第2のスペクトル範囲の光子を吸収および/または放射する。いくつかの実施形態では、3つの発光標識ヌクレオチドの各々は、異なる発光寿命または発光強度を有し、第1のスペクトル範囲の発光を放射し、第4の発光標識ヌクレオチドは、第2のスペクトル範囲の光子を吸収および/または放射する。いくつかの実施形態では、2つの発光標識ヌクレオチドの各々は、異なる発光寿命または発光強度を有し、第1のスペクトル範囲の発光を放射し、第3および第4の発光標識ヌクレオチドは各々、異なる発光寿命または発光強度を有し、第2のスペクトル範囲の発光を放射する。 In some embodiments, each of the four luminescently labeled nucleotides has a different luminescent lifetime or intensity. In certain embodiments, two or more luminescent-labeled nucleotides have different emission lifetimes or luminescence intensities and emit light in a first spectral range, and one or more luminescent-labeled nucleotides emit in a second spectral range. photons are absorbed and/or emitted. In some embodiments, each of the three luminescent-labeled nucleotides has a different emission lifetime or emission intensity and emits in a first spectral range, and the fourth luminescent-labeled nucleotide emits in a second spectral range. photons are absorbed and/or emitted. In some embodiments, each of the two luminescent-labeled nucleotides has a different emission lifetime or emission intensity and emits light in the first spectral range, and the third and fourth luminescent-labeled nucleotides each have a different It has an emission lifetime or emission intensity and emits emission in a second spectral range.
ある実施形態では、2つ以上の発光標識ヌクレオチドは、異なる発光寿命を有し、第1のスペクトル範囲の励起エネルギーを吸収し、1つまたは複数の発光標識ヌクレオチドは、第2のスペクトル範囲の励起エネルギーを吸収する。いくつか実施形態では、3つの発光標識ヌクレオチドの各々は、異なる発光寿命を有し、第1のスペクトル範囲の励起エネルギーを吸収し、第4の発光標識ヌクレオチドは、第2のスペクトル範囲の励起エネルギーを吸収する。いくつか実施形態では、2つの発光標識ヌクレオチドの各々は、異なる発光寿命を有し、第1のスペクトル範囲の励起エネルギーを吸収し、第3および第4の発光標識ヌクレオチドは各々、異なる発光寿命を有し、第2のスペクトル範囲の励起エネルギーを吸収する。 In certain embodiments, two or more luminescently labeled nucleotides have different luminescent lifetimes and absorb excitation energy in a first spectral range, and one or more luminescently labeled nucleotides absorb excitation energy in a second spectral range. Absorb energy. In some embodiments, each of the three luminescently labeled nucleotides has a different luminescent lifetime and absorbs excitation energy in a first spectral range, and the fourth luminescently labeled nucleotide absorbs excitation energy in a second spectral range. absorb. In some embodiments, each of the two luminescent-labeled nucleotides has a different emission lifetime and absorbs excitation energy in the first spectral range, and the third and fourth luminescent-labeled nucleotides each have a different emission lifetime. and absorbs excitation energy in the second spectral range.
ある実施形態では、2つ以上の発光標識ヌクレオチドは、異なる発光寿命または発光強度を有し、第1のスペクトル範囲の励起エネルギーを吸収し、1つまたは複数の発光標識ヌクレオチドは、第2のスペクトル範囲の励起エネルギーを吸収する。いくつか実施形態では、3つの発光標識ヌクレオチドの各々は、異なる発光寿命または発光強度を有し、第1のスペクトル範囲の励起エネルギーを吸収し、第4の発光標識ヌクレオチドは、第2のスペクトル範囲の励起エネルギーを吸収する。いくつか実施形態では、2つの発光標識ヌクレオチドの各々は、異なる発光寿命または発光強度を有し、第1のスペクトル範囲の励起エネルギーを吸収し、第3および第4の発光標識ヌクレオチドは各々、異なる発光寿命または発光強度を有し、第2のスペクトル範囲の励起エネルギーを吸収する。 In certain embodiments, two or more luminescent-labeled nucleotides have different luminescence lifetimes or luminescence intensities and absorb excitation energy in a first spectral range, and one or more luminescent-labeled nucleotides absorbs excitation energy in a second spectral range. Absorbs a range of excitation energies. In some embodiments, each of the three luminescently labeled nucleotides has a different emission lifetime or emission intensity and absorbs excitation energy in a first spectral range, and the fourth luminescently labeled nucleotide is in a second spectral range. absorbs the excitation energy of In some embodiments, each of the two luminescent-labeled nucleotides has a different emission lifetime or emission intensity and absorbs excitation energy in the first spectral range, and the third and fourth luminescent-labeled nucleotides each have a different It has a luminescence lifetime or luminescence intensity and absorbs excitation energy in a second spectral range.
配列決定中、ヌクレオチドを識別するための方法は、配列の種々の塩基対間で様々であってもよい。ある実施形態では、2つのタイプのヌクレオチドは、第1の励起エネルギーを吸収するように標識されていてもよく、それら2つのタイプのヌクレオチド(例えば、A、G)は、異なる発光強度に基づいて判別され、2つの追加のタイプのヌクレオチド(例えば、C、T)は、第2の励起エネルギーを吸収するように標識されていてもよく、それら2つの追加のタイプのヌクレオチドは、異なる発光寿命に基づいて判別される。そのような実施形態の場合、配列決定中、配列のあるセグメントは、発光強度のみに基づいて決定されてもよく(例えば、AおよびGのみが組み込まれているセグメント)、その配列の他のセグメントは、発光寿命にのみに基づいて決定されてもよい(例えば、CおよびTのみが組み込まれているセグメント)。いくつかの実施形態では、2~4つの発光標識ヌクレオチドは、発光寿命に基づいて区別されることになる。いくつかの実施形態では、2~4つの発光標識ヌクレオチドは、発光強度に基づいて区別される。いくつかの実施形態では、2~4つの発光標識ヌクレオチドは、発光寿命および発光強度に基づいて区別される。 During sequencing, the method for distinguishing nucleotides may vary between different base pairs of a sequence. In some embodiments, two types of nucleotides may be labeled to absorb the first excitation energy, and the two types of nucleotides (e.g., A, G) are labeled based on different emission intensities. Discriminated, two additional types of nucleotides (e.g., C, T) may be labeled to absorb the second excitation energy, and the two additional types of nucleotides have different emission lifetimes. determined based on For such embodiments, during sequencing, certain segments of the sequence may be determined based on luminescence intensity alone (e.g., segments incorporating only A and G) and other segments of the sequence may be determined based solely on the emission lifetime (eg, segments incorporating only C and T). In some embodiments, the 2-4 luminescently labeled nucleotides will be distinguished based on luminescent lifetime. In some embodiments, the 2-4 luminescently labeled nucleotides are distinguished based on luminescence intensity. In some embodiments, the 2-4 luminescently labeled nucleotides are distinguished based on luminescence lifetime and luminescence intensity.
図4には、例示的な発光標識ヌクレオチドの発光寿命4-1および同じ例示的なヌクレオチドの発光強度4-2が表示されている。例えば、第4の行には、フルオロフォアAlexa Fluor(登録商標)555(AF555)に連結されているデオキシチミジン六リン酸(dT6P)ヌクレオチドのデータが表示されている。この発光標識ヌクレオチドは、およそ0.25nsの寿命を有し、およそ20000カウント/秒の発光強度を呈する。任意の発光標識ヌクレオチドの観察される発光寿命および発光強度は、一般的に、4-1および4-2のもの等の他のより典型的な条件と比べて、組み込み条件下のヌクレオチドでは異なる場合がある(例えば、ナノ開口部中の単一分子複合体)。 FIG. 4 displays the luminescence lifetime 4-1 of an exemplary luminescent-labeled nucleotide and the luminescence intensity 4-2 of the same exemplary nucleotide. For example, the fourth row presents data for deoxythymidine hexaphosphate (dT6P) nucleotides linked to the fluorophore Alexa Fluor® 555 (AF555). This luminescent labeled nucleotide has a lifetime of approximately 0.25 ns and exhibits an emission intensity of approximately 20000 counts/second. The observed luminescence lifetime and luminescence intensity of any luminescence-labeled nucleotide is generally different for the nucleotide under incorporation conditions compared to other more typical conditions such as those of 4-1 and 4-2. (eg, single-molecule complexes in nanoapertures).
発光検出
本明細書に記載の方法の1つの態様では、放射光子(発光)または複数の放射光子は、1つまたは複数のセンサにより検出される。複数の発光標識分子またはヌクレオチドは、分子の各々が、単一のスペクトル範囲の光子を放射してもよく、または分子の部分は、第1のスペクトル範囲の光子を放射してもよく、分子の別の部分は、第2のスペクトル範囲の光子を放射してもよい。ある実施形態では、放射光子は、単一のセンサにより検出される。ある実施形態では、放射光子は、複数のセンサにより検出される。いくつかの実施形態では、第1のスペクトル範囲で放射される光子は、第1のセンサにより検出され、第2のスペクトル範囲で放射される光子は、第2のセンサにより検出される。いくつかの実施形態では、複数のスペクトル範囲の各々で放射される光子は、異なるセンサにより検出される。
Luminescence Detection In one aspect of the methods described herein, the emitted photon (luminescence) or plurality of emitted photons are detected by one or more sensors. The plurality of luminescently labeled molecules or nucleotides may each of the molecules emit photons in a single spectral range, or a portion of the molecules may emit photons in a first spectral range; Another portion may emit photons in a second spectral range. In some embodiments, emitted photons are detected by a single sensor. In some embodiments, the emitted photons are detected by multiple sensors. In some embodiments, photons emitted in the first spectral range are detected by a first sensor and photons emitted in the second spectral range are detected by a second sensor. In some embodiments, photons emitted in each of the multiple spectral ranges are detected by different sensors.
ある実施形態では、各センサは、励起エネルギーと放射光子との間の経過時間に基づいて、時間ビンを放射光子に帰属させるように構成されている。いくつかの実施形態では、より短い経過時間後に放射された光子には、より初期の時間ビンに帰属され、長い所要期間後に放射された光子は、後期の時間ビンに帰属されるだろう。 In some embodiments, each sensor is configured to assign a time bin to the emitted photon based on the elapsed time between the excitation energy and the emitted photon. In some embodiments, photons emitted after a shorter elapsed time will be attributed to earlier time bins, and photons emitted after a longer duration will be attributed to later time bins.
いくつかの実施形態では、励起エネルギーの複数のパルスが標的容積部の近傍に加えられ、光子放射事象を含んでいてもよい複数の光子が検出される。いくつかの実施形態では、複数の発光(例えば、光子放射事象)が、核酸産物への発光標識ヌクレオチドの組み込みに対応する。いくつかの実施形態では、発光標識ヌクレオチドの組み込みは、約1ms~約5ms間、約5ms~約20ms間、約20ms~約100ms間、または約100ms~約500ms間継続する。いくつかの実施形態では、約10~約100回、約100~約1000回、約1000~約10000回、または約10000~約100000回の発光が、発光標識ヌクレオチドの組み込み中に検出される。 In some embodiments, multiple pulses of excitation energy are applied in the vicinity of the target volume and multiple photons are detected, which may include photon emission events. In some embodiments, multiple luminescence (eg, photon emission events) correspond to the incorporation of luminescence-labeled nucleotides into the nucleic acid product. In some embodiments, incorporation of the luminescent-labeled nucleotide continues for about 1 ms to about 5 ms, about 5 ms to about 20 ms, about 20 ms to about 100 ms, or about 100 ms to about 500 ms. In some embodiments, about 10 to about 100, about 100 to about 1000, about 1000 to about 10,000, or about 10,000 to about 100,000 luminescences are detected during incorporation of the luminescent-labeled nucleotide.
ある実施形態では、発光標識ヌクレオチドが組み込み中でない場合、発光は検出されない。いくつかの実施形態では、発光バックグラウンドが存在する。いくつかの実施形態では、発光標識ヌクレオチドが組み込み中でない場合、疑似発光が検出される。励起エネルギーのパルス中に、1つまたは複数の発光標識ヌクレオチドが標的容積部中に存在するが(例えば、標的容積部へと拡散するか、またはポリメラーゼと相互作用するが組み込まれない)、配列決定反応により組み込み中ではない場合、そのような疑似発光が生じる場合がある。いくつかの実施形態では、標的容積部中に存在するが組み込み中ではない発光標識ヌクレオチドから検出される複数の発光は、発光標識ヌクレオチドからの複数の発光よりも低い(例えば、10倍、100倍、1000倍、10000倍)。 In some embodiments, no luminescence is detected when the luminescent-labeled nucleotide is not being incorporated. In some embodiments, a luminescent background is present. In some embodiments, pseudoluminescence is detected when the luminescence-labeled nucleotide is not being incorporated. During the pulse of excitation energy, one or more luminescently labeled nucleotides are present in the target volume (e.g., diffuse into the target volume or interact with the polymerase but are not incorporated), but sequencing Such spurious luminescence may occur when the reaction is not incorporating. In some embodiments, the multiple emissions detected from the luminescent-labeled nucleotides present in the target volume but not being incorporated are lower than the multiple emissions from the luminescent-labeled nucleotides (e.g., 10-fold, 100-fold , x1000, x10000).
いくつかの実施形態では、発光標識ヌクレオチドの組み込みに対応する複数の検出された発光は各々、パルスと放射光子との間の経過時間に基づいて時間ビンに帰属させる。このように組み込み事象が複数生じることは、本明細書では「バースト」と称される。いくつかの実施形態では、バーストは、ベースライン(例えば、ノイズ閾値)を超える一連のシグナル(例えば、測定値)を指す。この場合、シグナルは、発光標識ヌクレオチドが励起領域内に存在する場合に生じる複数の放射事象に対応する。いくつかの実施形態では、バーストは、ベースラインを表すシグナルの時間間隔だけ、その前および/またはその後のバーストと隔てられる。いくつかの実施形態では、バーストは、複数の経過時間に基づいて発光寿命を決定することにより分析される。いくつかの実施形態では、バーストは、単位時間当たりに検出された発光の数に基づいて発光強度を決定することにより分析される。いくつかの実施形態では、バーストは、検出された発光のスペクトル範囲を決定することにより分析される。いくつかの実施形態では、バーストデータの分析は、組み込まれた発光標識ヌクレオチドの同一性の帰属を可能にするか、または1つもしくは複数の発光標識ヌクレオチドが複数の発光標識ヌクレオチドと区別されることを可能にするだろう。帰属または区別は、発光寿命、発光強度、放射光子のスペクトル範囲、またはそれらの任意の組合せのいずれか1つに依存してもよい。 In some embodiments, each of the plurality of detected emissions corresponding to incorporation of a luminescently labeled nucleotide is assigned to a time bin based on the elapsed time between the pulse and the emitted photon. Such multiple occurrences of built-in events are referred to herein as "bursts." In some embodiments, a burst refers to a series of signals (eg, measurements) that exceed a baseline (eg, noise threshold). In this case, the signal corresponds to multiple emission events that occur when luminescently labeled nucleotides are present within the excitation region. In some embodiments, bursts are separated from previous and/or subsequent bursts by the time interval of the signal representing the baseline. In some embodiments, bursts are analyzed by determining luminescence lifetimes based on multiple elapsed times. In some embodiments, bursts are analyzed by determining emission intensity based on the number of emissions detected per unit time. In some embodiments, bursts are analyzed by determining the spectral range of detected emissions. In some embodiments, analysis of the burst data allows assignment of the identity of incorporated luminescent-labeled nucleotides or that one or more luminescent-labeled nucleotides are distinguished from a plurality of luminescent-labeled nucleotides. would allow The assignment or distinction may depend on any one of emission lifetime, emission intensity, spectral range of emitted photons, or any combination thereof.
図5には、例示的な鋳型核酸の配列決定が図示されている。配列決定実験は、4つの発光標識ヌクレオチド:Alexa Fluor(登録商標)647に連結されたデオキシアデノシン(A-AF647)、Alexa Fluor555に連結されたデキソイチミジン(dexoythymidine)(T-AF555)、DyLight(登録商標)554-R1に連結されたデオキシグアニジン(deoxyguanidine)(G-D554R1)、およびDyLight(登録商標)530-R2に連結されたデキソイシチジン(dexoycytidine)(C-D530R2)を用いて行われた。ヌクレオチドA-AF647は、赤色スペクトル範囲の励起エネルギーにより励起され、T、G、およびCヌクレオチドは、緑色スペクトル範囲の励起により励起される。約200秒間の配列決定反応にわたって検出された光子の数は、強度トレース5-1に表示されている。各スパイクは、検出された発光のバーストに対応し、点で標示されている。各バーストは、発光標識ヌクレオチドの組み込みに対応する場合があり、数千の検出された発光を含む。異なる色のトレースは、異なる励起パルスを標記するために利用されることが可能である。例えば、紫色トレースは、緑色励起パルスに使用されてもよく、青色トレースは、赤色励起パルスに使用されてもよい。青色トレースのバーストは、ヌクレオチドA-AF647(この例では、赤色発光分子を有する唯一のヌクレオチド)の組み込みに帰属されることが可能である。 FIG. 5 illustrates sequencing of an exemplary template nucleic acid. Sequencing experiments included four luminescently labeled nucleotides: deoxyadenosine (A-AF647) linked to Alexa Fluor® 647, dexoythymidine (T-AF555) linked to Alexa Fluor 555, DyLight® ) with deoxyguanidine linked to 554-R1 (G-D554R1) and dexoycytidine linked to DyLight® 530-R2 (C-D530R2). Nucleotides A-AF647 are excited by excitation energy in the red spectral range, and T, G, and C nucleotides are excited by excitation in the green spectral range. The number of photons detected over a sequencing reaction of approximately 200 seconds is displayed in intensity trace 5-1. Each spike corresponds to a detected burst of luminescence and is marked by a dot. Each burst may correspond to the incorporation of luminescence-labeled nucleotides and contains thousands of detected emissions. Different colored traces can be used to mark different excitation pulses. For example, a purple trace may be used for green excitation pulses and a blue trace may be used for red excitation pulses. The burst of blue trace can be attributed to the incorporation of nucleotide A-AF647 (the only nucleotide with a red emitting molecule in this example).
図5には、強度対寿命プロット5-2を使用して、同じ色のバーストを区別するために(例えば、T、G、およびC間の紫色トレース)、生データを低減させる1つの方法が表示されている。各円は、紫色トレースのバーストを表わす。各バーストは、パルスと各検出光子の放射との間の経過時間に基づいて、発光標識ヌクレオチドの発光寿命を決定するために分析された。加えて、各バーストは、1秒間に検出された光子の数に基づいて発光標識ヌクレオチドの発光強度を決定するために分析された。組み込み事象は、3つの発光標識ヌクレオチドの各々に対応する3つのグループにクラスター化される。プロットの下部分(点線より下のプロット区域)の暗色クラスターは、最長の発光寿命および最小の発光強度を有するC-D530R2に帰属される。プロットの下部分(点線より下のプロット区域)の明色クラスターは、中間の寿命および強度を有するG-D554R1に帰属される。また、プロットの上部分(点線より上のプロット区域)の明色クラスターは、最短の寿命および最大の強度を有するT-AF555に帰属される。図5には、データから決定された配列と鋳型核酸の既知配列とのアラインメント5-3が表示されている。縦線は、実験的に決定された塩基と標的配列とが合致していることを示している。ダッシュは、決定配列ではヌクレオチドが帰属されなかった鋳型配列の位置、または鋳型配列のどの位置にも対応しない決定配列中の余分な位置を示している。 FIG. 5 shows one way to reduce the raw data to distinguish bursts of the same color (e.g., purple traces between T, G, and C) using the intensity vs. lifetime plot 5-2. is displayed. Each circle represents a burst of purple traces. Each burst was analyzed to determine the luminescent lifetime of the luminescently labeled nucleotide based on the elapsed time between the pulse and the emission of each detected photon. Additionally, each burst was analyzed to determine the emission intensity of the luminescently labeled nucleotide based on the number of photons detected per second. Incorporation events are clustered into three groups corresponding to each of the three luminescently labeled nucleotides. Dark clusters in the lower portion of the plot (plotted area below the dotted line) are assigned to CD530R2 with the longest emission lifetime and lowest emission intensity. Light clusters in the lower portion of the plot (plotted area below the dotted line) are assigned to GD554R1 with intermediate longevity and intensity. Also, the bright clusters in the upper part of the plot (plotted area above the dotted line) are assigned to T-AF555 with the shortest lifetime and highest intensity. FIG. 5 shows an alignment 5-3 of the sequence determined from the data and the known sequence of the template nucleic acid. Vertical lines indicate matches between experimentally determined bases and target sequences. Dashes indicate positions in the template sequence to which no nucleotide was assigned in the determinant sequence, or extra positions in the determinant sequence that do not correspond to any position in the template sequence.
図6には、鋳型核酸の配列決定の第2の例が図示されている。配列決定実験は、4つの発光標識ヌクレオチド:Alexa Fluor(登録商標)647に連結されたデオキシアデノシン(A-AF647)、Alexa Fluor555に連結されたデキソイチミジン(T-AF555)、Alexa Fluor(登録商標)647に連結されたデオキシグアニジン(G-AF647)、およびAlexa Fluor(登録商標)546に連結されたデキソイシチジン(C-AF546)を用いて行われた。ヌクレオチドA-AF647およびG-AF647は、赤色スペクトル範囲の励起エネルギーにより励起され、TおよびCヌクレオチドは、緑色スペクトル範囲の励起により励起される。この実験では、AおよびGは、同じ発光マーカーを有しており、分別されない。図6には、約300秒間の配列決定反応にわたって検出された光子の数が強度トレース6-1に表示されている。各スパイクは、検出された発光のバーストに対応し、点で標示されている。各バーストは、発光標識ヌクレオチドの組み込みに対応する場合があり、数千の検出された発光を含む。トレースには、緑色励起パルスで検出された発光が表示されている(塩基TおよびCに対応する)。 Figure 6 illustrates a second example of sequencing the template nucleic acid. Sequencing experiments were performed using four luminescently labeled nucleotides: deoxyadenosine (A-AF647) linked to Alexa Fluor 647, dexoithymidine (T-AF555) linked to Alexa Fluor 555, Alexa Fluor 647 with deoxyguanidine (G-AF647) linked to , and dexoicytidine (C-AF546) linked to Alexa Fluor®546. Nucleotides A-AF647 and G-AF647 are excited by excitation energy in the red spectral range and T and C nucleotides are excited by excitation in the green spectral range. In this experiment A and G have the same luminescent marker and are not discriminated. In FIG. 6, the number of photons detected over a sequencing reaction of approximately 300 seconds is displayed in intensity trace 6-1. Each spike corresponds to a detected burst of luminescence and is marked by a dot. Each burst may correspond to the incorporation of luminescence-labeled nucleotides and contains thousands of detected emissions. The trace displays the emission detected with the green excitation pulse (corresponding to bases T and C).
図6には、強度対寿命プロット6-2を使用してTおよびCを区別するために生データを低減する1つの方法が表示されている。各円は、強度トレース6-1のバーストを表わす。各バーストは、パルスと各検出光子の放射との間の経過時間に基づいて発光標識ヌクレオチドの発光寿命を決定するために分析された。加えて、各バーストは、1秒間に検出された光子の数に基づいて発光標識ヌクレオチドの発光強度を決定するために分析された。組み込み事象は、2つの発光標識ヌクレオチドの各々に対応する2つのグループにクラスター化される。プロットの右部分(点線の右側のプロット区域)の暗色クラスターは、最長の発光寿命および最小の発光強度を有するC-AF546に帰属される。プロットの右部分(点線の右側のプロット区域)の明色クラスターは、最短の寿命および最大の強度を有するT-AF555に帰属される。図6には、データから決定された配列と鋳型核酸の既知配列とのアラインメント6-3が表示されている。縦の線は、実験的に決定された塩基と標的配列とが合致していることを示している。横の線は、決定配列ではヌクレオチドが帰属されなかった鋳型配列の位置、または鋳型配列のどの位置にも対応しない決定配列中の余分な位置を示している。 FIG. 6 displays one method of reducing the raw data to distinguish T and C using an intensity vs. lifetime plot 6-2. Each circle represents a burst of intensity traces 6-1. Each burst was analyzed to determine the emission lifetime of the luminescently labeled nucleotide based on the elapsed time between the pulse and emission of each detected photon. Additionally, each burst was analyzed to determine the emission intensity of the luminescently labeled nucleotide based on the number of photons detected per second. Incorporation events are clustered into two groups corresponding to each of the two luminescently labeled nucleotides. The dark cluster in the right part of the plot (plotted area to the right of the dotted line) is assigned to C-AF546 with the longest emission lifetime and lowest emission intensity. The bright cluster in the right part of the plot (plotted area to the right of the dotted line) is assigned to T-AF555 with the shortest lifetime and highest intensity. FIG. 6 displays an alignment 6-3 of the sequence determined from the data and the known sequence of the template nucleic acid. Vertical lines indicate matches between experimentally determined bases and target sequences. Horizontal lines indicate positions in the template sequence to which no nucleotides were assigned in the determinant sequence, or extra positions in the determinant sequence that do not correspond to any position in the template sequence.
いくつかの実施形態では、配列決定反応の1つまたは複数の成分は、例えば、配列決定反応の文脈で発光標識を分析するために、図7~9に表示されている非限定的な実施形態に図示されているように調製され、試料ウェルで使用されることが可能である。 In some embodiments, one or more of the components of the sequencing reaction are selected from the non-limiting embodiments shown in FIGS. can be prepared and used in sample wells as illustrated in .
発光標識
「発光タグ」、「発光標識」、および「発光マーカー」という用語は、全体にわたって同義的に使用され、1つまたは複数の発光分子を含む分子に関する。ある実施形態では、組み込まれる分子は、例えば、異なる発光標識が付着されていない発光分子である。典型的なヌクレオチドおよびアミノ酸は、発光性ではないか、または好適な範囲内の励起エネルギーおよび放射エネルギーで発光しない。ある実施形態では、組み込まれる分子は、発光標識を含む。ある実施形態では、組み込まれる分子は、発光標識ヌクレオチドである。ある実施形態では、組み込まれる分子は、発光標識アミノ酸または発光標識tRNAである。いくつかの実施形態では、発光標識ヌクレオチドは、ヌクレオチドおよび発光標識を含む。いくつかの実施形態では、発光標識ヌクレオチドは、ヌクレオチド、発光標識、およびリンカーを含む。いくつかの実施形態では、発光標識は、フルオロフォアである。
Luminescent Labels The terms “luminescent tag,” “luminescent label,” and “luminescent marker” are used interchangeably throughout and relate to molecules that contain one or more luminescent molecules. In some embodiments, the incorporated molecule is, for example, a luminescent molecule that does not have a different luminescent label attached. Typical nucleotides and amino acids are not luminescent or do not emit light within suitable ranges of excitation and emission energies. In some embodiments, the molecule to be incorporated comprises a luminescent label. In certain embodiments, the incorporated molecule is a luminescently labeled nucleotide. In certain embodiments, the molecule to be incorporated is a luminescently labeled amino acid or luminescently labeled tRNA. In some embodiments, a luminescent labeled nucleotide comprises a nucleotide and a luminescent label. In some embodiments, a luminescent labeled nucleotide comprises a nucleotide, a luminescent label, and a linker. In some embodiments, the luminescent label is a fluorophore.
ある実施形態では、発光標識および任意選択でリンカーは、組み込まれた分子に付着したままである。ある実施形態では、発光標識および任意選択でリンカーは、組み込みのプロセス中またはプロセス後に分子から切断される。 In certain embodiments, the luminescent label and optionally the linker remain attached to the incorporated molecule. In certain embodiments, the luminescent label and optionally the linker are cleaved from the molecule during or after the process of incorporation.
ある実施形態では、発光標識は、シアニン色素またはその類似体である。いくつかの実施形態では、シアニン色素は、以下の式: In some embodiments, the luminescent label is a cyanine dye or analogue thereof. In some embodiments, the cyanine dye has the formula:
またはその塩、立体異性体、もしくは互変異性体であり、
式中、A1およびA2は一緒になって、任意選択で置換されている芳香族または非芳香族の単環式または多環式のヘテロ環式環を形成し、
B1およびB2は一緒になって、任意選択で置換されている芳香族または非芳香族の単環式または多環式のヘテロ環式環を形成し、
R1およびR2の各々は、独立して水素、任意選択で置換されているアルキルであり、
L1およびL2の各々は、独立して水素、任意選択で置換されているアルキルであるか、またはL1およびL2は一緒になって、任意選択で置換されている芳香族または非芳香族の単環式または多環式の炭素環式環を形成する。
or a salt, stereoisomer, or tautomer thereof,
wherein A 1 and A 2 together form an optionally substituted aromatic or non-aromatic monocyclic or polycyclic heterocyclic ring;
B 1 and B 2 together form an optionally substituted aromatic or non-aromatic monocyclic or polycyclic heterocyclic ring;
each of R 1 and R 2 is independently hydrogen, optionally substituted alkyl;
Each of L 1 and L 2 is independently hydrogen, optionally substituted alkyl, or L 1 and L 2 taken together are optionally substituted aromatic or non-aromatic form a monocyclic or polycyclic carbocyclic ring.
ある実施形態では、発光標識は、ローダミン色素またはその類似体である。いくつかの実施形態では、ローダミン色素は、以下の式: In some embodiments, the luminescent label is a rhodamine dye or analogue thereof. In some embodiments, the rhodamine dye has the formula:
またはその塩、立体異性体、もしくは互変異性体であり、
式中、A1およびA2の各々は、独立して、水素、任意選択で置換されているアルキル、任意選択で置換されている芳香族もしくは非芳香族ヘテロシクリル、任意選択で置換されている芳香族もしくは非芳香族カルボシクリル、または任意選択で置換されているカルボニルであるか、あるいはA1およびA2は一緒になって、任意選択で置換されている芳香族または非芳香族の単環式または多環式の炭素環式環を形成する。
or a salt, stereoisomer, or tautomer thereof,
wherein each of A 1 and A 2 is independently hydrogen, optionally substituted alkyl, optionally substituted aromatic or non-aromatic heterocyclyl, optionally substituted aromatic is aromatic or non-aromatic carbocyclyl, or optionally substituted carbonyl, or A 1 and A 2 together are optionally substituted aromatic or non-aromatic monocyclic or It forms polycyclic carbocyclic rings.
B1およびB2の各々は、独立して、水素、任意選択で置換されているアルキル、任意選択で置換されている芳香族もしくは非芳香族ヘテロシクリル、任意選択で置換されている芳香族もしくは非芳香族カルボシクリル、または任意選択で置換されているカルボニルであるか、あるいはB1およびB2は一緒になって、任意選択で置換されている芳香族または非芳香族の単環式または多環式のヘテロ環式環を形成し、
R2およびR3の各々は、独立して、水素、任意選択で置換されているアルキル、任意選択で置換されているアリール、または任意選択で置換されているアシルであり、
R4は、独立して、水素、任意選択で置換されているアルキル、任意選択で置換されている芳香族もしくは非芳香族ヘテロシクリル、任意選択で置換されている芳香族もしくは非芳香族カルボシクリル、または任意選択で置換されているカルボニルである。
Each of B 1 and B 2 is independently hydrogen, optionally substituted alkyl, optionally substituted aromatic or non-aromatic heterocyclyl, optionally substituted aromatic or non- aromatic carbocyclyl, or optionally substituted carbonyl, or B 1 and B 2 taken together are an optionally substituted aromatic or non-aromatic monocyclic or polycyclic forming a heterocyclic ring of
each of R 2 and R 3 is independently hydrogen, optionally substituted alkyl, optionally substituted aryl, or optionally substituted acyl;
R 4 is independently hydrogen, optionally substituted alkyl, optionally substituted aromatic or non-aromatic heterocyclyl, optionally substituted aromatic or non-aromatic carbocyclyl, or is an optionally substituted carbonyl.
いくつかの実施形態では、R4は、任意選択で置換されているフェニルである。いくつかの実施形態では、R4は、任意選択で置換されているフェニルであり、その場合、少なくとも1つの置換基は、任意選択で置換されているカルボニルである。いくつかの実施形態では、R4は、任意選択で置換されているフェニルであり、その場合、少なくとも1つの置換基は、任意選択で置換されているスルホニルである。 In some embodiments, R 4 is optionally substituted phenyl. In some embodiments, R 4 is optionally substituted phenyl, wherein at least one substituent is optionally substituted carbonyl. In some embodiments, R 4 is optionally substituted phenyl, wherein at least one substituent is optionally substituted sulfonyl.
典型的には、発光標識は、芳香族化合物またはヘテロ芳香族化合物であり、ピレン、アントラセン、ナフタレン、アクリジン、スチルベン、インドール、ベンズインドール、オキサゾール、カルバゾール、チアゾール、ベンゾチアゾール、フェナントリジン、フェノキサジン、ポルフィリン、キノリン、エチジウム、ベンズアミド、シアニン、カルボシアニン、サリチラート、アントラニラート、クマリン、フルオロセイン、ローダミン、または他の類似化合物であってもよい。例示的な色素としては、5-カルボキシフルオレセイン(FAM)、2’7’-ジメトキシ-4’5’-ジクロロ-6-カルボキシフルオレセイン(JOE)、テトラクロロフルオレセイン(TET)、6-カルボキシローダミン(R6G)、N,N,N’,N’-テトラメチル-6-カルボキシローダミン(TAMRA)、6-カルボキシ-X-ローダミン(ROX)を含む、フルオレセインまたはローダミン色素等のキサンテン色素が挙げられる。また、例示的な色素としては、アルファ位またはベータ位にアミノ基を有するナフチルアミン色素が挙げられる。例えば、ナフチルアミノ化合物としては、1-ジメチルアミノナフチル-5-スルホナート、1-アニリノ-8-ナフタレンスルホナート、および2-p-トルイジニル-6-ナフタレンスルホナート、5-(2’-アミノエチル)アミノナフタレン-1-スルホン酸(EDANS)が挙げられる。他の例示的な色素としては、以下のものが挙げられる:3-フェニル-7-イソシアナトクマリン等のクマリン;9-イソチオシアナトアクリジンおよびアクリジンオレンジ等のアクリジン;N-(p-(2-ベンゾオキサゾリル)フェニル)マレイミド;インドジカルボシアニン3(Cy(登録商標)3)、(2Z)-2-[(E)-3-[3-(5-カルボキシペンチル)-1,1-ジメチル-6,8-ジスルホベンゾ[e]インドール-3-イウム-2-イル]プロパ-2-エニリデン]-3-エチル-1,1-ジメチル-8-(トリオキシダニルスルファニル)ベンゾ[e]インドール-6-スルホナート(Cy(登録商標)3.5)、2-{2-[(2,5-ジオキソピロリジン-1-イル)オキシ]-2-オキソエチル}-16,16,18,18-テトラメチル-6,7,7a,8a,9,10,16,18-オクタヒドロベンゾ[2’’,3’’]インドリジノ[8’’,7’’:5’,6’]ピラノ[3’,2’:3,4]ピリド[1,2-a]インドール-5-イウム-14-スルホナート(Cy(登録商標)3B)、インドジカルボシアニン5(Cy(登録商標)5)、インドジカルボシアニン5.5(Cy(登録商標)5.5)、3-(-カルボキシ-ペンチル)-3’-エチル-5,5’-ジメチルオキサカルボシアニン(CyA)等のシアニン;1H,5H,11H,15H-キサンテノ[2,3,4-ij:5,6,7-i’j’]ジキノリジン-18-イウム、9-[2(または4)-[[[6-[2,5-ジオキソ-1-ピロリジニル)オキシ]-6-オキソヘキシル]アミノ]スルホニル]-4(または2)-スルホフェニル]-2,3,6,7,12,13,16,17-オクタヒドロ-内塩(TRまたはテキサスレッド(Texas Red)(登録商標));ボディパイ(BODIPY)(登録商標)色素;ベンゾオキサゾール;スチルベン;およびピレン等。 Typically, the luminescent label is an aromatic or heteroaromatic compound, pyrene, anthracene, naphthalene, acridine, stilbene, indole, benzindole, oxazole, carbazole, thiazole, benzothiazole, phenanthridine, phenoxazine. , porphyrins, quinolines, ethidiums, benzamides, cyanines, carbocyanines, salicylates, anthranilates, coumarins, fluoresceins, rhodamines, or other similar compounds. Exemplary dyes include 5-carboxyfluorescein (FAM), 2'7'-dimethoxy-4'5'-dichloro-6-carboxyfluorescein (JOE), tetrachlorofluorescein (TET), 6-carboxyrhodamine (R6G ), N,N,N',N'-tetramethyl-6-carboxyrhodamine (TAMRA), 6-carboxy-X-rhodamine (ROX), xanthene dyes such as fluorescein or rhodamine dyes. Exemplary dyes also include naphthylamine dyes with amino groups in the alpha or beta positions. For example, naphthylamino compounds include 1-dimethylaminonaphthyl-5-sulfonate, 1-anilino-8-naphthalenesulfonate, and 2-p-toluidinyl-6-naphthalenesulfonate, 5-(2′-aminoethyl) and aminonaphthalene-1-sulfonic acid (EDANS). Other exemplary dyes include: coumarins such as 3-phenyl-7-isocyanatocoumarin; acridines such as 9-isothiocyanatoacridine and acridine orange; N-(p-(2- benzoxazolyl)phenyl)maleimide; indodicarbocyanine 3 (Cy® 3), (2Z)-2-[(E)-3-[3-(5-carboxypentyl)-1,1- Dimethyl-6,8-disulfobenzo[e]indol-3-ium-2-yl]prop-2-enylidene]-3-ethyl-1,1-dimethyl-8-(trioxidanylsulfanyl)benzo[e]indole -6-sulfonate (Cy® 3.5), 2-{2-[(2,5-dioxopyrrolidin-1-yl)oxy]-2-oxoethyl}-16,16,18,18- Tetramethyl-6,7,7a,8a,9,10,16,18-octahydrobenzo[2'',3'']indolizino[8'',7'':5',6']pyrano[3 ',2':3,4]pyrido[1,2-a]indol-5-ium-14-sulfonate (Cy® 3B), indodicarbocyanine 5 (Cy® 5), India Cyanine such as dicarbocyanine 5.5 (Cy® 5.5), 3-(-carboxy-pentyl)-3′-ethyl-5,5′-dimethyloxacarbocyanine (CyA); 1H, 5H , 11H,15H-xantheno[2,3,4-ij:5,6,7-i′j′]diquinolidin-18-ium, 9-[2 (or 4)-[[[6-[2,5 -dioxo-1-pyrrolidinyl)oxy]-6-oxohexyl]amino]sulfonyl]-4 (or 2)-sulfophenyl]-2,3,6,7,12,13,16,17-octahydro-inner salt (TR or Texas Red®); BODIPY® dye; benzoxazole; stilbene; and pyrene, and the like.
ヌクレオチド配列決定の場合、発光標識ヌクレオチドのある組合せが、好ましい場合がある。いくつかの実施形態では、発光標識ヌクレオチドの少なくとも1つは、シアニン色素またはその類似体を含む。いくつかの実施形態では、発光標識ヌクレオチドの少なくとも1つは、ローダミン色素またはその類似体を含む。いくつかの実施形態では、発光標識ヌクレオチドの少なくとも2つは各々、シアニン色素またはその類似体を含む。いくつかの実施形態では、発光標識ヌクレオチドの少なくとも2つは各々、ローダミン色素またはその類似体を含む。いくつかの実施形態では、発光標識ヌクレオチドの少なくとも3つは各々、シアニン色素またはその類似体を含む。いくつかの実施形態では、発光標識ヌクレオチドの少なくとも3つは各々、ローダミン色素またはその類似体を含む。いくつかの実施形態では、発光標識ヌクレオチドの少なくとも4つは各々、シアニン色素またはその類似体を含む。いくつかの実施形態では、発光標識ヌクレオチドの少なくとも4つは各々、ローダミン色素またはその類似体を含む。いくつかの実施形態では、3つの発光標識ヌクレオチドは、シアニン色素またはその類似体を含み、第4の発光標識ヌクレオチドは、ローダミン色素またはその類似体を含む。いくつかの実施形態では、2つの発光標識ヌクレオチドは、シアニン色素またはその類似体を含み、第3および任意選択で第4の発光標識ヌクレオチドは、ローダミン色素またはその類似体を含む。いくつかの実施形態では、3つの発光標識ヌクレオチドは、ローダミン色素またはその類似体を含み、第3および任意選択で第4の発光標識ヌクレオチドは、シアニン色素またはその類似体を含む。 For nucleotide sequencing, certain combinations of luminescently labeled nucleotides may be preferred. In some embodiments, at least one of the luminescently labeled nucleotides comprises a cyanine dye or analogue thereof. In some embodiments, at least one of the luminescently labeled nucleotides comprises a rhodamine dye or analogue thereof. In some embodiments, at least two of the luminescently labeled nucleotides each comprise a cyanine dye or analogue thereof. In some embodiments, at least two of the luminescently labeled nucleotides each comprise a rhodamine dye or analogue thereof. In some embodiments, at least three of the luminescently labeled nucleotides each comprise a cyanine dye or analogue thereof. In some embodiments, at least three of the luminescently labeled nucleotides each comprise a rhodamine dye or analogue thereof. In some embodiments, at least four of the luminescently labeled nucleotides each comprise a cyanine dye or analogue thereof. In some embodiments, at least four of the luminescently labeled nucleotides each comprise a rhodamine dye or analogue thereof. In some embodiments, three luminescent-labeled nucleotides comprise a cyanine dye or analogue thereof and a fourth luminescent-labeled nucleotide comprises a rhodamine dye or an analogue thereof. In some embodiments, two luminescently labeled nucleotides comprise cyanine dyes or analogues thereof and the third and optionally fourth luminescently labeled nucleotides comprise rhodamine dyes or analogues thereof. In some embodiments, three luminescently labeled nucleotides comprise rhodamine dyes or analogues thereof and the third and optionally fourth luminescently labeled nucleotides comprise cyanine dyes or analogues thereof.
いくつかの実施形態では、少なくとも1つの標識ヌクレオチドは、2つ以上の色素(例えば、同じ色素の2つ以上のコピーおよび/または2つ以上の異なる色素)に連結されている。 In some embodiments, at least one labeled nucleotide is linked to two or more dyes (eg, two or more copies of the same dye and/or two or more different dyes).
いくつかの実施形態では、少なくとも2つの発光標識ヌクレオチドは、第1の励起エネルギーを吸収し、その場合、発光標識ヌクレオチドの少なくとも1つは、シアニン色素またはその類似体を含み、発光標識ヌクレオチドの少なくとも1つは、ローダミン色素またはその類似体を含む。いくつかの実施形態では、少なくとも2つの発光標識ヌクレオチドは、第2の励起エネルギーを吸収し、その場合、発光標識ヌクレオチドの少なくとも1つは、シアニン色素またはその類似体を含み、発光標識ヌクレオチドの少なくとも1つは、ローダミン色素またはその類似体を含む。いくつかの実施形態では、少なくとも2つの発光標識ヌクレオチドは、第1の励起エネルギーを吸収し、その場合、発光標識ヌクレオチドの少なくとも1つは、シアニン色素またはその類似体を含み、発光標識ヌクレオチドの少なくとも1つは、ローダミン色素またはその類似体を含み、少なくとも2つの追加の発光標識ヌクレオチドは、第2の励起エネルギーを吸収し、その場合、発光標識ヌクレオチドの少なくとも1つは、シアニン色素またはその類似体を含み、発光標識ヌクレオチドの少なくとも1つは、ローダミン色素またはその類似体を含む。 In some embodiments, at least two luminescent-labeled nucleotides absorb the first excitation energy, wherein at least one of the luminescent-labeled nucleotides comprises a cyanine dye or an analogue thereof, and at least one of the luminescent-labeled nucleotides One includes rhodamine dyes or analogues thereof. In some embodiments, at least two luminescent-labeled nucleotides absorb a second excitation energy, wherein at least one of the luminescent-labeled nucleotides comprises a cyanine dye or analogue thereof, and at least one of the luminescent-labeled nucleotides One includes rhodamine dyes or analogues thereof. In some embodiments, at least two luminescent-labeled nucleotides absorb the first excitation energy, wherein at least one of the luminescent-labeled nucleotides comprises a cyanine dye or an analogue thereof, and at least one of the luminescent-labeled nucleotides one comprising a rhodamine dye or analogue thereof, wherein at least two additional luminescently labeled nucleotides absorb the second excitation energy, wherein at least one of the luminescently labeled nucleotides is a cyanine dye or an analogue thereof; and at least one of the luminescently labeled nucleotides comprises a rhodamine dye or analogue thereof.
いくつかの実施形態では、少なくとも2つの発光標識ヌクレオチドは、第1の励起エネルギーを吸収し、その場合、発光標識ヌクレオチドの少なくとも1つは、約1ns未満の発光寿命を有し、発光標識ヌクレオチドの少なくとも1つは、1nsを超える発光寿命を有する。いくつかの実施形態では、少なくとも2つの発光標識ヌクレオチドは、第2の励起エネルギーを吸収し、その場合、発光標識ヌクレオチドの少なくとも1つは、約1ns未満の発光寿命を有し、発光標識ヌクレオチドの少なくとも1つは、1nsを超える発光寿命を有する。いくつかの実施形態では、少なくとも2つの発光標識ヌクレオチドは、第1の励起エネルギーを吸収し、その場合、発光標識ヌクレオチドの少なくとも1つは、約1ns未満の発光寿命を有し、発光標識ヌクレオチドの少なくとも1つは、1nsを超える発光寿命を有し、追加の少なくとも2つの発光標識ヌクレオチドは、第2の励起エネルギーを吸収し、その場合、発光標識ヌクレオチドの少なくとも1つは、約1ns未満の発光寿命を有し、発光標識ヌクレオチドの少なくとも1つは、1nsを超える発光寿命を有する。 In some embodiments, at least two of the luminescent-labeled nucleotides absorb the first excitation energy, wherein at least one of the luminescent-labeled nucleotides has an emission lifetime of less than about 1 ns; At least one has an emission lifetime greater than 1 ns. In some embodiments, at least two luminescent-labeled nucleotides absorb a second excitation energy, wherein at least one of the luminescent-labeled nucleotides has an emission lifetime of less than about 1 ns and At least one has an emission lifetime greater than 1 ns. In some embodiments, at least two of the luminescent-labeled nucleotides absorb the first excitation energy, wherein at least one of the luminescent-labeled nucleotides has an emission lifetime of less than about 1 ns; at least one has an emission lifetime greater than 1 ns, and the additional at least two luminescent-labeled nucleotides absorb the second excitation energy, wherein at least one of the luminescent-labeled nucleotides has an emission lifetime of less than about 1 ns have a lifetime, and at least one of the luminescently labeled nucleotides has a luminescent lifetime greater than 1 ns.
ある実施形態では、発光標識は、表1から選択される色素である。表1に列挙されている色素は、非限定的であり、本出願の発光標識は、表1に列挙されていない色素を含んでいてもよい。ある実施形態では、1つまたは複数の発光標識ヌクレオチドの発光標識は、表1から選択される。ある実施形態では、4つ以上の発光標識ヌクレオチドの発光標識が、表1から選択される。 In certain embodiments, the luminescent label is a dye selected from Table 1. The dyes listed in Table 1 are non-limiting, and the luminescent labels of the present application may include dyes not listed in Table 1. In certain embodiments, the luminescent label of the one or more luminescently labeled nucleotides is selected from Table 1. In some embodiments, luminescent labels of 4 or more luminescent labeled nucleotides are selected from Table 1.
また、色素は、最大吸光または放射発光の波長に基づいて分類されることが可能である。表2には、例示的なフルオロフォアが提供されており、最大吸光のおおよその波長に従って列にグループ化されている。表2に列挙されている色素は、非限定的であり、本出願の発光標識は、表2に列挙されていない色素を含んでいてもよい。正確な最大吸光または放射波長は、示されているスペクトル範囲に対応していない場合がある。ある実施形態では、1つまたは複数の発光標識ヌクレオチドの発光標識は、表2に列挙されている「赤色」グループから選択される。ある実施形態では、1つまたは複数の発光標識ヌクレオチドの発光標識は、表2に列挙されている「緑色」グループから選択される。ある実施形態では、1つまたは複数の発光標識ヌクレオチドの発光標識は、表2に列挙されている「黄色/オレンジ色」グループから選択される。ある実施形態では、4つのヌクレオチドの発光標識は、全てが、表2に列挙されている「赤色」、「黄色/オレンジ色」、または「緑色」グループの1つから選択されるように選択される。ある実施形態では、4つのヌクレオチドの発光標識は、3つが、表2に列挙されている「赤色」、「黄色/オレンジ色」、および「緑色」グループの第1のグループから選択され、4つ目が、表2に列挙されている「赤色」、「黄色/オレンジ色」、および「緑色」グループの第2のグループから選択されるように選択される。ある実施形態では、4つのヌクレオチドの発光標識は、2つが、表2に列挙されている「赤色」、「黄色/オレンジ色」、および「緑色」グループの第1のグループから選択され、3つ目および4つ目が、表2に列挙されている「赤色」、「黄色/オレンジ色」、および「緑色」グループの第2のグループから選択されるように選択される。ある実施形態では、4つのヌクレオチドの発光標識は、2つが、表2に列挙されている「赤色」、「黄色/オレンジ色」、および「緑色」グループの第1のグループから選択され、3つ目が、表2に列挙されている「赤色」、「黄色/オレンジ色」、および「緑色」グループの第2のグループから選択され、4つ目が、表2に列挙されている「赤色」、「黄色/オレンジ色」、および「緑色」グループの第3のグループから選択されるように選択される。
Dyes can also be classified based on the wavelength of maximum absorption or radiative emission. Exemplary fluorophores are provided in Table 2, grouped in columns according to the approximate wavelength of maximum absorbance. The dyes listed in Table 2 are non-limiting, and the luminescent labels of the present application may include dyes not listed in Table 2. Exact maximum absorption or emission wavelengths may not correspond to the spectral ranges shown. In certain embodiments, the luminescent label of one or more luminescently labeled nucleotides is selected from the "red" group listed in Table 2. In certain embodiments, the luminescent label of one or more luminescently labeled nucleotides is selected from the "green" group listed in Table 2. In certain embodiments, the luminescent label of one or more luminescently labeled nucleotides is selected from the “yellow/orange” group listed in Table 2. In certain embodiments, the luminescent labels of the four nucleotides are all selected from one of the "red", "yellow/orange", or "green" groups listed in Table 2. be. In certain embodiments, the four nucleotide luminescent labels are three selected from the first group of the "red", "yellow/orange", and "green" groups listed in Table 2; Eyes are selected to be selected from the second group of "red", "yellow/orange" and "green" groups listed in Table 2. In certain embodiments, the four nucleotide luminescent labels are two selected from the first group of the "red,""yellow/orange," and "green" groups listed in Table 2, and three An eye and a fourth are selected to be selected from the second group of "red", "yellow/orange" and "green" groups listed in Table 2. In certain embodiments, the four nucleotide luminescent labels are two selected from the first group of the "red,""yellow/orange," and "green" groups listed in Table 2, and three Eyes are selected from a second group of "red", "yellow/orange", and "green" groups listed in Table 2, and a fourth "red" listed in Table 2. , "Yellow/Orange", and "Green" groups.
ある実施形態では、発光標識は、以下の式(NHSエステル形態)の(色素101)、(色素102)、(色素103)、(色素104)、(色素105)、もしくは(色素106)、またはそれらの類似体であってもよい。
In certain embodiments, the luminescent label is (dye 101), (dye 102), (dye 103), (dye 104), (dye 105), or (dye 106) of the following formula (NHS ester form), or They may be analogues thereof.
いくつかの実施形態では、各スルホナートまたはカルボキシラートは、独立して、任意選択でプロトン化されている。いくつかの実施形態では、上記の色素は、示されている付着地点でのアミド結合の形成によりリンカーまたはヌクレオチドに付着している。
In some embodiments, each sulfonate or carboxylate is independently optionally protonated. In some embodiments, the dyes described above are attached to a linker or nucleotide by formation of an amide bond at the attachment point indicated.
ある実施形態では、発光標識は、第1および第2の発色団を含んでいてもよい。いくつかの実施形態では、第1の発色団の励起状態は、第2の発色団へのエネルギー移動により緩和させることが可能である。いくつかの実施形態では、エネルギー移動は、フェルスター共鳴エネルギー転移(FRET)である。そのようなFRET対は、複数の発光標識との標識の区別をより容易にする特性を発光標識に提供するのに有用であり得る。ある実施形態では、FRET対は、第1のスペクトル範囲の励起エネルギーを吸収し、第2のスペクトル範囲の発光を放射することができる。 In some embodiments, a luminescent label may comprise first and second chromophores. In some embodiments, the excited state of the first chromophore can be relaxed by energy transfer to the second chromophore. In some embodiments, the energy transfer is Forster Resonance Energy Transfer (FRET). Such FRET pairs can be useful in providing a luminescent label with properties that make it easier to distinguish the label from multiple luminescent labels. In some embodiments, a FRET pair can absorb excitation energy in a first spectral range and emit emission in a second spectral range.
1組の発光標識分子(例えば、発光標識ヌクレオチド)の場合、発光標識FRET対の特性は、複数の判別可能な分子(例えば、ヌクレオチド)の選択を可能にすることができる。いくつかの実施形態では、FRET対の第2の発色団は、複数の他の発光標識分子とは異なる発光寿命を有する。いくつかの実施形態では、FRET対の第2の発色団は、複数の他の発光標識分子とは異なる発光強度を有する。いくつかの実施形態では、FRET対の第2の発色団は、複数の他の発光標識分子とは異なる発光寿命および発光強度を有する。いくつかの実施形態では、FRET対の第2の発色団は、複数の他の発光標識分子とは異なるスペクトル範囲の光子を放射する。いくつかの実施形態では、FRET対の第1の発色団は、複数の他の発光標識分子とは異なる発光寿命を有する。ある実施形態では、FRET対は、複数の他の発光標識分子とは異なるスペクトル範囲の励起エネルギーを吸収することができる。ある実施形態では、FRET対は、複数の他の発光標識分子の1つまたは複数と同じスペクトル範囲の励起エネルギーを吸収することができる。 For a set of luminescent-labeled molecules (eg, luminescent-labeled nucleotides), the properties of the luminescent-labeled FRET pair can allow selection of multiple distinguishable molecules (eg, nucleotides). In some embodiments, the second chromophore of the FRET pair has a different emission lifetime than the plurality of other luminescent label molecules. In some embodiments, the second chromophore of the FRET pair has a different emission intensity than the plurality of other luminescent label molecules. In some embodiments, the second chromophore of the FRET pair has a different emission lifetime and emission intensity than the plurality of other luminescent label molecules. In some embodiments, the second chromophore of the FRET pair emits photons in a different spectral range than the plurality of other luminescent label molecules. In some embodiments, the first chromophore of the FRET pair has a different emission lifetime than the plurality of other luminescent label molecules. In some embodiments, a FRET pair can absorb excitation energy in a different spectral range than the plurality of other luminescent label molecules. In some embodiments, a FRET pair can absorb excitation energy in the same spectral range as one or more of the plurality of other luminescent labeled molecules.
いくつかの実施形態では、2つ以上のヌクレオチドは、発光標識に接続されていてもよく、その場合、ヌクレオチドは、発光標識の異なる位置に接続されている。非限定的な例としては、ヌクレオチド類似体の反応性部分と適合する2つの独立反応性化学部分(例えば、アジド基、アセチレン基、カルボキシル基、アミノ基)を含有する発光分子を挙げることができる。そのような実施形態では、発光標識は、独立したリンカーにより2つのヌクレオチド分子に接続されていてもよい。いくつかの実施形態では、発光標識は、2つ以上のヌクレオチドとの2つ以上の独立した接続を含んでいてもよい。 In some embodiments, two or more nucleotides may be attached to a luminescent label, where the nucleotides are attached to different positions of the luminescent label. Non-limiting examples can include luminescent molecules containing two independently reactive chemical moieties (e.g., azide, acetylene, carboxyl, amino groups) compatible with the reactive moieties of nucleotide analogues. . In such embodiments, the luminescent label may be attached to the two nucleotide molecules by independent linkers. In some embodiments, a luminescent label may comprise two or more independent connections to two or more nucleotides.
いくつかの実施形態では、2つ以上のヌクレオチドは、リンカー(例えば、ヌクレオチドおよび/または色素が付着することが可能である2つ以上の反応部位を有する分岐リンカーまたはリンカー)により発光色素と接続されていてもよい。したがって、いくつかの実施形態では、2つ以上のヌクレオチド(例えば、同じタイプ)が、2つ以上の色素(例えば、同じタイプ)に連結されていてもよい。 In some embodiments, two or more nucleotides are connected to the luminescent dye by a linker (e.g., a branched linker or linker having two or more reactive sites to which nucleotides and/or dyes can be attached). may be Thus, in some embodiments, two or more nucleotides (eg, of the same type) may be linked to two or more dyes (eg, of the same type).
いくつかの実施形態では、発光標識は、発光特性を有する量子ドットを含んでいてもよい。いくつかの実施形態では、1つまたは複数のヌクレオチドは、量子ドットに接続されている。いくつかの実施形態では、1つまたは複数のヌクレオチドは、タンパク質の異なる部位との接続により量子ドットに接続されている。いくつかの実施形態では、量子ドットの表面は、ヌクレオチド分子でコーティングされている。ある実施形態では、量子ドットは、1つまたは複数のヌクレオチドと共有結合で接続されている(例えば、反応部分を介して各成分に)。ある実施形態では、量子ドットは、1つまたは複数のヌクレオチドと非共有結合で接続されている(例えば、適合する非共有結合パートナーを介して各成分に)。いくつかの実施形態では、量子ドットの表面は、1つまたは複数のビオチン化ヌクレオチドと非共有結合で結合されている1つまたは複数のストレプトアビジン分子を含む。 In some embodiments, luminescent labels may include quantum dots that have luminescent properties. In some embodiments, one or more nucleotides are attached to the quantum dot. In some embodiments, one or more nucleotides are attached to the quantum dot by attachment to different sites on the protein. In some embodiments, the surface of quantum dots is coated with nucleotide molecules. In certain embodiments, the quantum dot is covalently attached to one or more nucleotides (eg, to each component via a reactive moiety). In certain embodiments, a quantum dot is non-covalently attached to one or more nucleotides (eg, to each moiety via a compatible non-covalent binding partner). In some embodiments, the quantum dot surface comprises one or more streptavidin molecules non-covalently bound to one or more biotinylated nucleotides.
いくつかの実施形態では、発光標識は、発光特性を有するタンパク質を含んでいてもよい。いくつかの実施形態では、1つまたは複数のヌクレオチドは、発光タンパク質に接続されている。いくつかの実施形態では、1つまたは複数のヌクレオチドは、タンパク質の異なる部位との接続により発光タンパク質に接続されている。ある実施形態では、4つのヌクレオチドの発光標識は、1つのヌクレオチドが蛍光タンパク質で標識され、残りの3つのヌクレオチドが蛍光色素(例えば、表1および2の非限定的な例)で標識されるように選択される。ある実施形態では、4つのヌクレオチドの発光標識は、2つのヌクレオチドが蛍光タンパク質で標識され、残りの2つのヌクレオチドが蛍光色素(例えば、表1および2の非限定的な例)で標識されるように選択される。ある実施形態では、4つのヌクレオチドの発光標識は、3つのヌクレオチドが蛍光タンパク質で標識され、残りのヌクレオチドが蛍光色素(例えば、表1および2の非限定的な例)で標識されるように選択される。いくつかの実施形態では、4つのヌクレオチドの発光標識は、4つのヌクレオチドが全て蛍光タンパク質で標識されるように選択される。 In some embodiments, a luminescent label may comprise a protein with luminescent properties. In some embodiments, one or more nucleotides are attached to the photoprotein. In some embodiments, one or more nucleotides are attached to the photoprotein by attachment to different sites on the protein. In certain embodiments, the four nucleotide luminescent labels are such that one nucleotide is labeled with a fluorescent protein and the remaining three nucleotides are labeled with a fluorescent dye (e.g., non-limiting examples in Tables 1 and 2). selected for In certain embodiments, the four nucleotide luminescent labels are such that two nucleotides are labeled with a fluorescent protein and the remaining two nucleotides are labeled with a fluorescent dye (e.g., non-limiting examples in Tables 1 and 2). selected for In certain embodiments, the luminescent labels of the four nucleotides are selected such that three nucleotides are labeled with a fluorescent protein and the remaining nucleotides are labeled with a fluorescent dye (e.g., non-limiting examples in Tables 1 and 2). be done. In some embodiments, the four nucleotide luminescent labels are selected such that all four nucleotides are labeled with a fluorescent protein.
本出願のいくつかの態様によると、発光標識(例えば、色素、例えばフルオロフォア)は、励起光に曝露された配列決定反応のポリメラーゼを損傷する場合がある。いくつかの態様では、この損傷は、発光分子がポリメラーゼ酵素の極近傍に保持されている場合、発光標識ヌクレオチドの組み込み中に生じる。損傷反応の非限定的な例としては、ポリメラーゼと発光分子との共有結合の形成、および発光分子から酵素への放射性崩壊または非放射性崩壊の放射が挙げられる。これは、ポリメラーゼの有効性を短縮し、配列決定が実行される長さを低減する場合がある。 According to some aspects of the present application, luminescent labels (eg, dyes, eg, fluorophores) may damage polymerases of sequencing reactions exposed to excitation light. In some embodiments, this damage occurs during incorporation of luminescent-labeled nucleotides when the luminescent molecule is held in close proximity to the polymerase enzyme. Non-limiting examples of damaging reactions include the formation of covalent bonds between polymerases and luminescent molecules, and the emission of radioactive or non-radioactive decay from luminescent molecules to the enzyme. This may shorten the efficiency of the polymerase and reduce the length over which sequencing is performed.
いくつかの実施形態では、ヌクレオチドおよび発光標識は、標識ヌクレオチドの組み込み中に発光標識をポリメラーゼから離間させておくために、比較的長いリンカーまたはリンカー構成により接続されている。用語「リンカー構成」は、本明細書では、発光分子をヌクレオチドに接続する構造全体を指すために使用され、発光分子またはヌクレオチドを包含しない。 In some embodiments, the nucleotide and luminescent label are connected by a relatively long linker or linker construct to keep the luminescent label away from the polymerase during incorporation of the labeled nucleotide. The term "linker construct" is used herein to refer to the overall structure connecting the luminescent molecule to the nucleotide and does not include the luminescent molecule or the nucleotide.
いくつかの実施形態では、単一のリンカーにより、発光分子がヌクレオチドと接続されている。いくつかの実施形態では、リンカーは、2つ以上(例えば、2、3、4、5、6、7、8、9、または10個以上)のヌクレオチドが、各発光分子に接続されるか、2つ以上(例えば、2、3、4、5、6、7、8、9、または10個以上)の発光分子が、各ヌクレオチドに接続されるか、または2つ以上(例えば、2、3、4、5、6、7、8、9、または10個以上)のヌクレオチドが、2つ以上(例えば、2、3、4、5、6、7、8、9、または10個以上)の発光分子に接続されるように、1つまたは複数の分岐点を含有している。 In some embodiments, a single linker connects the luminescent molecule to the nucleotide. In some embodiments, a linker has two or more (e.g., 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, or 10 or more) nucleotides attached to each light emitting molecule, or Two or more (eg, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, or 10 or more) luminescent molecules are attached to each nucleotide, or two or more (eg, 2, 3 , 4, 5, 6, 7, 8, 9, or 10 or more) nucleotides are It contains one or more branch points to connect to the light emitting molecule.
いくつかの実施形態では、リンカー構成は、発光標識とヌクレオチドとの距離を決定する。いくつかの実施形態では、距離は、約1nmまたは2nm~約20nmである。例えば、2nm超、5nm超、5~10nm、10nm超、10~15nm、15nm超、15~20nm、20nm超。しかしながら、発光標識は、ヌクレオチドが酵素の活性部位内に保持される際は照射容積内に存在する必要があるため、発光標識とヌクレオチドとの距離は長過ぎてはならない。したがって、いくつかの実施形態では、全体的なリンカー長さは、30nm未満、25nm未満、約20nm、または20nm未満である。 In some embodiments, the linker configuration determines the distance between the luminescent label and the nucleotide. In some embodiments, the distance is from about 1 nm or 2 nm to about 20 nm. For example, greater than 2 nm, greater than 5 nm, 5-10 nm, greater than 10 nm, 10-15 nm, greater than 15 nm, 15-20 nm, greater than 20 nm. However, the distance between the luminescent label and the nucleotide should not be too long, as the luminescent label must be in the illuminated volume when the nucleotide is retained in the active site of the enzyme. Thus, in some embodiments, the overall linker length is less than 30 nm, less than 25 nm, about 20 nm, or less than 20 nm.
いくつかの実施形態では、保護分子が、リンカー構成内に含まれている。保護分子は、酵素と発光標識との間に生じ得る損傷反応からポリメラーゼを保護することができるタンパク質、タンパク質ホモダイマー、タンパク質ヘテロダイマー、タンパク質オリゴマー、ポリマー、または他の分子であってもよい。保護分子の非限定的な例としては、タンパク質(例えば、アビジン、ストレプトアビジン、Traptavidin、NeutrAvidin、ユビキチン)、タンパク質複合体(例えば、トリプシン:BPTI、バルナーゼ:バルスター、コリシンE9ヌクレアーゼ:Im9免疫タンパク質)、核酸(例えば、デオキシリボ核酸、リボ核酸)、ポリサッカライド、脂質、およびカーボンナノチューブが挙げられる。 In some embodiments, a protection molecule is included within the linker construct. A protective molecule may be a protein, protein homodimer, protein heterodimer, protein oligomer, polymer, or other molecule capable of protecting the polymerase from damaging reactions that may occur between the enzyme and the luminescent label. Non-limiting examples of protective molecules include proteins (e.g. avidin, streptavidin, traptavidin, NeutrAvidin, ubiquitin), protein complexes (e.g. trypsin: BPTI, barnase: barstar, colicin E9 nuclease: Im9 immunoprotein), Nucleic acids (eg, deoxyribonucleic acids, ribonucleic acids), polysaccharides, lipids, and carbon nanotubes.
いくつかの実施形態では、保護分子は、オリゴヌクレオチド(例えば、DNAオリゴヌクレオチド、RNAオリゴヌクレオチド、またはそれらの変異体)である。いくつかの実施形態では、オリゴヌクレオチドは、一本鎖である。いくつかの実施形態では、発光標識は、一本鎖オリゴヌクレオチドの一方の末端(例えば5’末端または3’末端)に直接的または間接的に付着しており、1つまたは複数のヌクレオチドは、一本鎖オリゴヌクレオチドの他方の末端(例えば、3’末端または5’末端)に直接的または間接的に付着している。例えば、一本鎖オリゴヌクレオチドは、オリゴヌクレオチドの5’末端に付着した発光標識、およびオリゴヌクレオチドの3’末端に付着した1つまたは複数のヌクレオチドを含んでいてもよい。いくつかの実施形態では、オリゴヌクレオチドは、二本鎖である(例えば、オリゴヌクレオチドは、2つのアニーリングされた相補的なオリゴヌクレオチド鎖を含む)。いくつかの実施形態では、発光標識は、二本鎖オリゴヌクレオチドの一方の末端に直接的または間接的に付着しており、1つまたは複数のヌクレオチドは、二本鎖ヌクレオチドの他方の末端に直接的または間接的に付着している。いくつかの実施形態では、発光標識は、二本鎖オリゴヌクレオチドの一方の鎖に直接的または間接的に付着しており、1つまたは複数のヌクレオチドは、二本鎖ヌクレオチドの他方の鎖に直接的または間接的に付着している。例えば、二本鎖オリゴヌクレオチドは、オリゴヌクレオチドの一方の鎖の5’末端に付着した発光標識、および他方の鎖の5’末端に付着した1つまたは複数のヌクレオチドを含んでいてもよい。 In some embodiments, protective molecules are oligonucleotides (eg, DNA oligonucleotides, RNA oligonucleotides, or variants thereof). In some embodiments, the oligonucleotide is single stranded. In some embodiments, the luminescent label is directly or indirectly attached to one end (e.g., the 5' or 3' end) of the single-stranded oligonucleotide, and one or more nucleotides are It is directly or indirectly attached to the other end (eg, the 3' or 5' end) of the single-stranded oligonucleotide. For example, a single-stranded oligonucleotide may include a luminescent label attached to the 5' end of the oligonucleotide and one or more nucleotides attached to the 3' end of the oligonucleotide. In some embodiments, the oligonucleotide is double-stranded (eg, the oligonucleotide comprises two complementary annealed oligonucleotide strands). In some embodiments, the luminescent label is directly or indirectly attached to one end of the double-stranded oligonucleotide and one or more nucleotides are directly or indirectly attached to the other end of the double-stranded nucleotide. Directly or indirectly attached. In some embodiments, the luminescent label is directly or indirectly attached to one strand of the double-stranded oligonucleotide and the one or more nucleotides are directly or indirectly attached to the other strand of the double-stranded nucleotide. Directly or indirectly attached. For example, a double-stranded oligonucleotide may include a luminescent label attached to the 5' end of one strand of the oligonucleotide and one or more nucleotides attached to the 5' end of the other strand.
いくつかの実施形態では、保護分子は、1つまたは複数の発光分子に、および1つまたは複数のヌクレオチド分子に接続されている。いくつかの実施形態では、発光分子は、ヌクレオチドと隣接していない。例えば、1つまたは複数の発光分子は、保護分子の第1の側に接続されていてもよく、1つまたは複数のヌクレオチドは、保護分子の第2の側に接続されていてもよく、保護分子の第1および第2の側は、互いに離れている。いくつかの実施形態では、それらは、保護分子のほぼ反対側にある。 In some embodiments, the protective molecule is attached to one or more luminescent molecules and to one or more nucleotide molecules. In some embodiments, the luminescent molecule is not contiguous with nucleotides. For example, one or more luminescent molecules may be attached to the first side of the protecting molecule, one or more nucleotides may be attached to the second side of the protecting molecule, and the protecting The first and second sides of the molecule are separated from each other. In some embodiments, they are approximately opposite the protective molecule.
保護分子が発光標識と接続されている地点と、保護分子がヌクレオチドに接続されている地点との距離は、空間を通じた直線的な測定値であってもよく、または保護分子の表面に沿った非直線的な測定値であってもよい。保護分子における発光標識およびヌクレオチドの接続地点間の距離は、保護分子の三次元構造をモデル化することにより測定されることが可能である。いくつかの実施形態では、この距離は、2、4、6、8、10、12、14、16、18、または20nm以上であってもよい。あるいは、保護分子における発光標識およびヌクレオチドの相対的位置は、保護分子の構造を二次曲面(例えば、楕円体、楕円柱)として扱うことにより記述されることが可能である。いくつかの実施形態では、発光標識およびヌクレオチドは、保護分子を表わす楕円形状の周囲の距離の少なくとも8分の1の距離だけ隔てられている。いくつかの実施形態では、発光標識およびヌクレオチドは、保護分子を表わす楕円形状の周囲の距離の少なくとも4分の1の距離だけ隔てられている。いくつかの実施形態では、発光標識およびヌクレオチドは、保護分子を表わす楕円形状の周囲の距離の少なくとも3分の1の距離だけ隔てられている。いくつかの実施形態では、発光標識およびヌクレオチドは、保護分子を表わす楕円形状の周囲の距離の少なくとも2分の1の距離だけ隔てられている。 The distance between the point at which the protecting molecule is attached to the luminescent label and the point at which the protecting molecule is attached to the nucleotide may be a linear measurement through space or along the surface of the protecting molecule. It may be a non-linear measurement. The distance between the attachment point of the luminescent label and the nucleotide in the protective molecule can be measured by modeling the three-dimensional structure of the protective molecule. In some embodiments, this distance may be 2, 4, 6, 8, 10, 12, 14, 16, 18, or 20 nm or greater. Alternatively, the relative positions of luminescent labels and nucleotides in the protected molecule can be described by treating the structure of the protected molecule as a quadratic surface (eg, ellipsoid, elliptical cylinder). In some embodiments, the luminescent label and the nucleotide are separated by a distance that is at least one-eighth the distance around the oval shape representing the protected molecule. In some embodiments, the luminescent label and the nucleotide are separated by a distance that is at least one-fourth the distance around the oval shape representing the protected molecule. In some embodiments, the luminescent label and the nucleotide are separated by a distance that is at least one-third the distance around the oval shape representing the protective molecule. In some embodiments, the luminescent label and the nucleotide are separated by a distance that is at least one-half the distance around the oval shape representing the protected molecule.
図10には、保護分子(100)によりヌクレオチド(250)から隔てられている発光分子(200)の非限定的な例10-1が例示されている。発光分子(200)は、リンカー(300)を介して保護分子(100)に接続されており、リンカー(300)は、保護分子(100)に付着している。ヌクレオチド(250)は、リンカー(350)を介して保護分子(100)に接続されており、リンカー(350)は、保護分子(100)に付着している。保護分子は、発光標識がポリメラーゼに接近することを防止する立体障壁を提供するのに有用であってもよい。保護分子は、発光分子により放射される放射性崩壊および非放射性崩壊を吸収するのに、またはそのような崩壊からポリメラーゼを保護するのに有用であってもよい。保護分子は、発光標識とポリメラーゼとの間の立体障壁および崩壊障壁の両方を提供するのに有用であってもよい。 Figure 10 illustrates a non-limiting example 10-1 of a luminescent molecule (200) separated from a nucleotide (250) by a protective molecule (100). The luminescent molecule (200) is connected to the protective molecule (100) via a linker (300), and the linker (300) is attached to the protective molecule (100). Nucleotide (250) is connected to protective molecule (100) via linker (350), and linker (350) is attached to protective molecule (100). A protective molecule may be useful to provide a steric barrier that prevents the luminescent label from gaining access to the polymerase. Protective molecules may be useful to absorb radioactive and non-radioactive decay emitted by the luminescent molecule or to protect the polymerase from such decay. Protective molecules may be useful in providing both a steric and a collapsing barrier between the luminescent label and the polymerase.
保護分子のサイズは、ヌクレオチドが酵素の活性部位内に保持される際に、発光標識がポリメラーゼと直接的に接触することができないかまたは接触しにくいような大きさであるべきである。また、保護分子のサイズは、ヌクレオチドが酵素の活性部位内に保持される際に、付着している発光標識が、励起させようとする照射容積内に存在するような大きさであるべきである。保護分子のサイズは、発光標識を保護分子に接続するために選択されているリンカーおよびヌクレオチドを保護分子に接続するために選択されているリンカーを考慮して選択されるべきである。保護分子ならびに発光標識およびヌクレオチド(例えば、ヌクレオシドポリリン酸)を接続するために使用されるリンカーは、リンカー構成を構成し、リンカー構成のサイズは、ヌクレオチドが酵素の活性部位内に保持される際に、発光標識がポリメラーゼと直接的に接触することができないような大きさであるべきである。 The size of the protective molecule should be such that the luminescent label cannot or is difficult to contact directly with the polymerase when the nucleotide is retained within the active site of the enzyme. Also, the size of the protective molecule should be such that when the nucleotide is retained in the active site of the enzyme, the attached luminescent label is present in the irradiated volume to be excited. . The size of the protecting molecule should be selected taking into account the linker chosen to connect the luminescent label to the protecting molecule and the linker chosen to connect the nucleotide to the protecting molecule. The linker used to connect the protective molecule and the luminescent label and the nucleotide (e.g., nucleoside polyphosphate) constitutes a linker construct, the size of which determines when the nucleotide is retained within the active site of the enzyme. , the size should be such that the luminescent label cannot come into direct contact with the polymerase.
保護分子(および/または保護分子を含むリンカー構成)は、好ましくは水溶性である。いくつかの実施形態では、保護分子(および/または保護分子を含むリンカー構成)は、正味負電荷を有することが好ましい。 The protecting molecule (and/or the linker construct comprising the protecting molecule) is preferably water soluble. In some embodiments, the protecting molecule (and/or the linker construct comprising the protecting molecule) preferably has a net negative charge.
いくつかの実施形態では、標識(例えば、発光分子)は、1つまたは複数の非共有結合連結で標識がヌクレオチドに接続されているため、ヌクレオチドと共有結合で連結されていない。いくつかの実施形態では、1つまたは複数のリンカーは、非共有結合で保護分子および/または発光分子と付着している。いくつかの実施形態では、1つまたは複数のリンカーは、非共有結合で保護分子および/またはヌクレオチドと付着している。いくつかの実施形態では、発光標識は、共有結合でリンカーに付着しており、リンカーは、非共有結合で保護分子と付着している(例えば、1つまたは複数の結合パートナーを介して)。いくつかの実施形態では、ヌクレオチドは、共有結合でリンカーに付着しており、リンカーは、非共有結合で保護分子と付着している(例えば、1つまたは複数の結合パートナーを介して)。 In some embodiments, a label (eg, a luminescent molecule) is not covalently linked to a nucleotide, such that one or more non-covalent linkages attach the label to the nucleotide. In some embodiments, one or more linkers are non-covalently attached to the protecting molecule and/or the light emitting molecule. In some embodiments, one or more linkers are non-covalently attached to the protecting molecules and/or nucleotides. In some embodiments, the luminescent label is covalently attached to the linker, and the linker is non-covalently attached to the protecting molecule (eg, via one or more binding partners). In some embodiments, the nucleotide is covalently attached to the linker, and the linker is non-covalently attached to the protecting molecule (eg, via one or more binding partners).
図10~15には、保護分子を介して接続されている1つまたは複数の発光分子および1つまたは複数のヌクレオチドの非限定的な例が例示されており、1つまたは複数の発光分子および1つまたは複数のヌクレオチドは、非共有結合で保護分子と付着している。 Figures 10-15 illustrate non-limiting examples of one or more luminescent molecules and one or more nucleotides connected via a protecting molecule, wherein one or more luminescent molecules and One or more nucleotides are non-covalently attached to the protecting molecule.
図10には、10-1の要素を含む非限定的な例10-2が例示されており、リンカーは、発光分子を保護分子の非共有結合部位(110)(暗色形状)に非共有結合で付着させる非共有結合リガンド(400)を含み、第2のリンカーは、ヌクレオチドを保護分子の第2の非共有結合部位(120)に非共有結合で付着させる非共有結合リガンド(450)を含む。 Figure 10 illustrates a non-limiting example 10-2 comprising elements of 10-1, where the linker non-covalently binds the luminescent molecule to the non-covalent attachment site (110) (dark shape) of the protective molecule. and the second linker comprises a non-covalent ligand (450) that non-covalently attaches the nucleotide to the second non-covalent binding site (120) of the protective molecule. .
図10には、10-2の要素を含む非限定的な例10-3が例示されており、保護分子(暗所形状)は、4つの独立した非共有結合部位を含む。第2の独立した発光分子は、非共有結合リガンド(401)を介して保護分子の非共有結合部位(111)に非共有結合で付着することが可能である。第2の独立した発光分子は、非共有結合リガンド(451)を介して保護分子の非共有結合部位(121)に非共有結合で付着することが可能である。保護分子の4つの独立した非共有結合部位にて非共有結合で結合されている2つの独立した発光分子および2つの独立したヌクレオチドが図示されているこの実施形態では、発光分子およびヌクレオチドの数は自由裁量で選択されていた。いくつかの実施形態では、保護分子の4つの独立した非共有結合部位は、1つの部位に1つの発光分子および残りの3つの部位の各々に1つヌクレオチドを含む。いくつかの実施形態では、保護分子の4つの独立した非共有結合部位は、1つの部位に1つのヌクレオチドおよび残りの3つの部位の各々に1つの発光分子を含む。 FIG. 10 illustrates a non-limiting example 10-3 containing elements of 10-2, where the protective molecule (dark form) contains four independent non-covalent binding sites. A second independent luminescent molecule can be non-covalently attached to the non-covalent binding site (111) of the protective molecule via a non-covalent ligand (401). A second independent luminescent molecule can be non-covalently attached to the non-covalent binding site (121) of the protective molecule via a non-covalent ligand (451). In this embodiment where two independent luminescent molecules and two independent nucleotides are illustrated non-covalently attached at four independent non-covalent binding sites of the protecting molecule, the number of luminescent molecules and nucleotides is was chosen at discretion. In some embodiments, the four independent non-covalent binding sites of the protecting molecule comprise one luminescent molecule at one site and one nucleotide at each of the remaining three sites. In some embodiments, the four independent non-covalent binding sites of the protecting molecule comprise one nucleotide at one site and one luminescent molecule at each of the remaining three sites.
図10には、10-3の要素を含む非限定的な例10-4が例示されており、リンカー(301)は、単一の発光分子を、保護分子の2つの独立した非共有結合部位(暗色形状)を介して非共有結合で付着させる2つの独立した非共有結合リガンド(400、401)を含み、リンカー(351)は、単一のヌクレオチドを、保護分子の残りの2つの独立した非共有結合部位を介して非共有結合で付着させる2つの独立した非共有結合リガンド(450、451)を含む。 Figure 10 illustrates a non-limiting example 10-4 containing elements of 10-3, where the linker (301) connects a single light-emitting molecule to two independent non-covalent attachment sites of the protecting molecule. containing two independent non-covalent ligands (400, 401) non-covalently attached via (dark shapes) and a linker (351) connecting a single nucleotide to the remaining two independent It contains two independent non-covalent ligands (450, 451) non-covalently attached via non-covalent binding sites.
図11には、10-4の要素を含む非限定的な例11-1が例示されており、リンカー(301)は、2つの発光分子の付着を可能にする分岐点(302)を含む。
図11には、11-1の要素を含む非限定的な例11-2が例示されており、リンカー(351)は、2つのヌクレオチドの付着を可能にする分岐点(352)を含む。
Figure 11 illustrates a non-limiting example 11-1 containing elements of 10-4, where the linker (301) contains a branch point (302) that allows attachment of two luminescent molecules.
Figure 11 illustrates a non-limiting example 11-2 containing elements of 11-1, where the linker (351) contains a branch point (352) that allows attachment of two nucleotides.
図11には、11-2の要素を含む非限定的な例11-3が例示されており、リンカー(302)は、4つの発光分子の付着を可能にする2つの追加の分岐点(304)を含み、リンカー(352)は、4つのヌクレオチドの付着を可能にする2つの追加の分岐点(354)を含む。 FIG. 11 illustrates a non-limiting example 11-3 containing elements of 11-2, where the linker (302) has two additional branch points (304 ) and the linker (352) contains two additional branch points (354) that allow attachment of four nucleotides.
図11には、11-3の要素を含む非限定的な例11-4が例示されており、(304)に図示されている各分岐点は、合計6つの発光分子の追加の発光分子の付着を可能にする追加の付着部分を含み、(354)に図示されている各分岐点は、合計6つのヌクレオチドの追加のヌクレオチドの付着を可能にする追加の付着部分を含む。 FIG. 11 illustrates a non-limiting example 11-4 containing elements of 11-3, where each branch point shown at (304) is an additional luminescent molecule for a total of 6 luminescent molecules. Including additional attachment moieties to allow for attachment, each branch point illustrated at (354) includes additional attachment moieties to allow attachment of additional nucleotides for a total of 6 nucleotides.
図12には、配列決定反応で使用されることが可能である1組の標識ヌクレオチド分子の非限定的な例が例示されている:チミン12-1、アデニン12-2、シトシン12-3、およびグアニン12-4。この実施形態では、4つの非共有結合部位を含む保護分子は、6つの同じタイプのヌクレオチドを1つまたは複数の発光分子に接続するために使用される。この実施形態では、6つの同じタイプのヌクレオチドは、2つの別々のリンカーを介して保護分子に付着しており、各リンカーは、3つの同じタイプのヌクレオチドに共有結合で連結されている独立した非共有結合リガンドを含む。12-1、12-2、および12-3に図示されているように、単一の発光分子は、保護分子の2つの独立した結合部位に非共有結合で付着している2つの独立した非共有結合リガンドを含むリンカーを介して保護分子に非共有結合で付着している。12-4に図示されているように、発光リンカーの分岐点は、第2の発光分子の付加を可能にする。 Figure 12 illustrates a set of non-limiting labeled nucleotide molecules that can be used in sequencing reactions: thymine 12-1, adenine 12-2, cytosine 12-3, and guanine 12-4. In this embodiment, a protective molecule containing four non-covalent binding sites is used to connect six nucleotides of the same type to one or more luminescent molecules. In this embodiment, six nucleotides of the same type are attached to the protective molecule via two separate linkers, each linker being an independent non-nucleotide covalently linked to three nucleotides of the same type. Contains covalent ligands. As illustrated in 12-1, 12-2, and 12-3, a single luminescent molecule is attached to two independent non-covalent bonds non-covalently attached to two independent binding sites of the protective molecule. It is non-covalently attached to the protective molecule via a linker containing a covalent ligand. As illustrated in 12-4, the branch point of the luminescent linker allows for the addition of a second luminescent molecule.
4つの例示的なヌクレオチドを含む配列決定実験では、12-1、12-2、および12-3の発光標識は、3つの固有な発光分子(例えば、3つの異なるフルオロフォア)を含むことができる。これらの例示的な分子は各々が単一のフルオロフォアしか含有していないため、固有なフルオロフォアが使用されていない場合、チミン、アデニン、またはシトシン組み込みを判別するために使用される特性(例えば、発光寿命、発光強度、放射波長)は、高度に類似しているかまたは判別不能だろう。グアニン12-4は、2つの発光分子に接続されている。いくつかの実施形態では、12-4の発光標識は、2つの同じ発光分子を含むことができ、選択される分子は、12-1、12-2、および12-3で使用されているフルオロフォアとは異なる。4つの固有なフルオロフォアに接続されている4つの固有なヌクレオチドを含む配列決定反応では、各フルオロフォアは、各々が複数のものから判別されることを可能にする1つまたは複数の固有な発光特性(例えば、発光寿命、強度、放射波長、またはそれらの2つ以上の組合せ)を有するはずである。いくつかの実施形態では、12-4の2つのフルオロフォアは、2つの同じフルオロフォアを含むことができ、選択されるフルオロフォアは、12-1、12-2、および12-3のフルオロフォアの1つと同一である。異なる数の同じ発光分子に接続されている固有なヌクレオチドを含む配列決定反応では、異なる数のフルオロフォアは、1つのヌクレオチドが複数のものから判別されることを可能にするために、固有な特性(例えば、発光強度の増加)を付与するはずである。あるいは、12-4の2つのフルオロフォアは、FRET対を含んでいてもよい。 In a sequencing experiment involving four exemplary nucleotides, the luminescent labels at 12-1, 12-2, and 12-3 can comprise three unique luminescent molecules (eg, three different fluorophores). . Since each of these exemplary molecules contains only a single fluorophore, properties used to discriminate thymine, adenine, or cytosine incorporation when no unique fluorophore is used (e.g. , luminescence lifetime, luminescence intensity, emission wavelength) may be highly similar or indistinguishable. Guanine 12-4 is connected to two luminescent molecules. In some embodiments, the luminescent label of 12-4 can comprise two of the same luminescent molecules, the molecule chosen being the fluorophore used in 12-1, 12-2, and 12-3. Different from the fore. In a sequencing reaction containing four unique nucleotides connected to four unique fluorophores, each fluorophore emits one or more unique luminescence that allows each to be distinguished from the others. characteristics (eg, emission lifetime, intensity, emission wavelength, or a combination of two or more thereof). In some embodiments, the two fluorophores of 12-4 can comprise the same two fluorophores and the fluorophores selected are the fluorophores of 12-1, 12-2, and 12-3. is identical to one of In sequencing reactions containing different numbers of unique nucleotides attached to the same luminescent molecule, different numbers of fluorophores have unique properties to allow one nucleotide to be distinguished from the many. (eg, increased emission intensity). Alternatively, the two fluorophores of 12-4 may comprise a FRET pair.
図12には、配列決定実験、および複数の発光標識ヌクレオチドから判別するために固有な発光特性がどのように使用されることが可能であるかの非限定的な例12-5がさらに例示されている。各塩基(チミン、アデニン、シトシン、グアニン)に接続されている発光標識は、各標識ヌクレオチドが複数の標識ヌクレオチドから判別されることを可能にする発光特性(例えば、発光寿命、発光強度、および/または放射波長)を有する。同じタイプの複数のヌクレオチドを介在させることは、配列決定反応の組み込み速度を加速させる機能を果たす。 FIG. 12 further illustrates non-limiting examples 12-5 of sequencing experiments and how unique luminescence properties can be used to discriminate from multiple luminescence-labeled nucleotides. ing. The luminescent label attached to each base (thymine, adenine, cytosine, guanine) has luminescent properties (e.g., luminescence lifetime, luminescence intensity, and/or or emission wavelength). Interleaving multiple nucleotides of the same type serves to accelerate the incorporation rate of the sequencing reaction.
発光標識ヌクレオチドを利用する配列決定実験12-5は、例示的な反応槽12-6で実施されることが可能である。反応は、導波路上方のチャンバで起こり、導波路は、励起エネルギーの導管としての役割を果たし、導波路からのエバネッセント波により、反応チャンバの底部にある試料に励起エネルギーを加える。開口部は、導波路からバルク試料へと放散する光、ならびに周囲光および/またはセンサからの迷光を阻止するだけなく、反応チャンバの製造経路を提供する。反応チャンバは、底部に、および導波路のエバネッセント波からの高励起領域内に試料を配置するエッチング構造である。選択的な表面化学は、反応チャンバの底部および側壁に異なる組成物を提供するために使用されることが可能であり、そのため、試料は、反応チャンバの底部に選択的に限局されることが可能である。表面調製ための例示的ワークフローが図7に表示されており、とりわけ選択的表面化学の達成に関するプロセスを含むプロセスが図示されている。例えば、表面のパッシベーションは(例えば、図8に表示されている非限定的な実施形態に図示されているような)、表面の官能化中に有用となるであろう選択的表面基質(例えば、図9に表示されている非限定的な実施形態に図示されているような)を提供することができる。 Sequencing experiments 12-5 utilizing luminescently labeled nucleotides can be performed in exemplary reaction vessels 12-6. The reaction takes place in a chamber above the waveguide, which acts as a conduit for excitation energy and evanescent waves from the waveguide apply excitation energy to the sample at the bottom of the reaction chamber. The opening not only blocks light diffusing from the waveguide to the bulk sample, and stray light from ambient light and/or the sensor, but also provides a manufacturing pathway for the reaction chamber. The reaction chamber is an etching structure that places the sample at the bottom and within a region of high excitation from the evanescent wave of the waveguide. Selective surface chemistries can be used to provide different compositions to the bottom and sidewalls of the reaction chamber so that the sample can be selectively confined to the bottom of the reaction chamber. is. An exemplary workflow for surface preparation is displayed in FIG. 7, illustrating processes including, among others, processes relating to achieving selective surface chemistry. For example, surface passivation (e.g., as illustrated in the non-limiting embodiment shown in FIG. 8) may be useful during surface functionalization with selective surface substrates (e.g., ) can be provided as illustrated in the non-limiting embodiment shown in FIG.
特定のヌクレオチドの組み込みは、配列決定反応中に例示的なワークフロー12-7に従って4つの発光標識ヌクレオチドから判別されることが可能である。実験の経過全体にわたって、2つの異なる期間:パルス期間および検出期間がある。20ピコ秒間継続するパルス期間中、発光光は収集されない。パルス期間後、検出期間は10ナノ秒間継続し、4つの時間ビンにより、検出期間にわたって生じる放射事象が捕捉される(i)。パルス期間および検出期間は、1つのサイクルを構成する。放射事象は、100万サイクルの経過わたってに連続的にビンに分類され、蓄積される(ii)。時間ビンにわたる放射事象の全体的分布は、発光寿命を表し、特定の組のデータを既知の寿命分布と一致させるために使用されることが可能である(iii)。いくつかの実施形態では、放射事象の分布(例えば、発光寿命)では、1つの発光標識塩基は、複数の他の標識分子から判別されない。放射事象の分布に加えて、放射事象の量(例えば、発光強度)は、単一分子を複数の他のものから識別するために使用されることが可能である。 Specific nucleotide incorporations can be discriminated from the four luminescently labeled nucleotides according to exemplary workflow 12-7 during a sequencing reaction. Over the course of the experiment there are two distinct periods: the pulse period and the detection period. No emitted light is collected during the pulse period lasting 20 picoseconds. After the pulse period, the detection period lasts 10 ns and four time bins capture the radiation events occurring over the detection period (i). The pulse period and detection period constitute one cycle. Emission events are continuously binned and accumulated over the course of one million cycles (ii). The overall distribution of emission events over time bins represents the luminescence lifetime and can be used to match a particular set of data with a known lifetime distribution (iii). In some embodiments, the distribution of radiative events (eg, luminescence lifetimes) does not distinguish one luminescent labeled base from multiple other labeled molecules. In addition to the distribution of radiation events, the quantity of radiation events (eg, emission intensity) can be used to distinguish single molecules from others.
図13には、10-4の要素を含む非限定的な例13-1が例示されており、保護分子の非共有結合部位は、非官能性結合部位(461)となるように操作されている。いくつかの実施形態では、13-1の保護分子は、ストレプトアビジンを含んでいてもよい。いくつかの実施形態では、結合部位は、非共有結合でビオチン分子と結合することができないため非官能性である。非限定的な実施形態13-1には、2つの独立した非共有結合相互作用により保護分子に付着している単一の発光分子、および単一の非共有結合相互作用により保護分子に付着している6つのヌクレオチドが図示されている。いくつかの実施形態では、3つの官能性非共有結合部位を有する保護分子は、単一の非共有結合相互作用により付着している1つまたは複数の発光分子、および2つの独立した非共有結合相互作用により付着している1つまたは複数のヌクレオチドを含むことができる。いくつかの実施形態では、3つの官能性非共有結合部位を有する保護分子は、2つの独立した非共有結合相互作用により付着している1つまたは複数の発光分子、および単一の非共有結合相互作用により付着している1つまたは複数のヌクレオチドを含むことができる。 Figure 13 illustrates a non-limiting example 13-1 comprising elements of 10-4, where the non-covalent binding site of the protecting molecule is engineered to be a non-functional binding site (461). there is In some embodiments, the protective molecule for 13-1 may include streptavidin. In some embodiments, the binding site is non-functional in that it cannot non-covalently bind to the biotin molecule. Non-limiting embodiment 13-1 includes a single luminescent molecule attached to the protecting molecule through two independent non-covalent interactions, and a single luminescent molecule attached to the protecting molecule through a single non-covalent interaction. The 6 nucleotides in the sequence are illustrated. In some embodiments, a protective molecule having three functional non-covalent binding sites comprises one or more luminescent molecules attached by a single non-covalent interaction and two independent non-covalent binding It can include one or more nucleotides that are attached by interaction. In some embodiments, a protective molecule having three functional non-covalent binding sites comprises one or more luminescent molecules attached by two independent non-covalent interactions and a single non-covalent bond It can include one or more nucleotides that are attached by interaction.
図13には、10-3の要素を含む非限定的な例13-2が例示されており、保護分子の2つの非共有結合部位は、非官能性結合部位(411、461)となるように操作されている。いくつかの実施形態では、13-2の保護分子は、ストレプトアビジンを含んでいてもよい。いくつかの実施形態では、結合部位は、非共有結合でビオチン分子と結合することができないため非官能性である。非限定的な実施形態13-2には、単一の独立した非共有結合相互作用により保護分子に付着している単一の発光分子、および単一の非共有結合相互作用により保護分子に付着している6つのヌクレオチドが図示されている。いくつかの実施形態では、2つの官能性非共有結合部位を有する保護分子は、単一の非共有結合相互作用により付着している1つまたは複数の発光分子、および単一の独立した非共有結合相互作用により付着している1つまたは複数のヌクレオチドを含むことができる。いくつかの実施形態では、2つの非官能性非共有結合部位は、cis結合部位またはtrans結合部位であり、「cis結合部位」は、「trans結合部位」よりも極近傍にあると定義される。図13には、2つの非官能性trans結合部位を有するストレプトアビジン分子生成の非限定的な例13-3がさらに図示されている。 Figure 13 illustrates a non-limiting example 13-2 containing elements of 10-3, where the two non-covalent binding sites of the protecting molecule are such that they are non-functional binding sites (411, 461). is operated by In some embodiments, the protective molecule of 13-2 may include streptavidin. In some embodiments, the binding site is non-functional in that it cannot non-covalently bind to the biotin molecule. Non-limiting embodiment 13-2 includes a single luminescent molecule attached to the protecting molecule through a single independent non-covalent interaction, and a single luminescent molecule attached to the protecting molecule through a single non-covalent interaction. The 6 nucleotides that do are shown. In some embodiments, a protective molecule having two functional non-covalent binding sites is one or more luminescent molecules attached by a single non-covalent interaction and a single independent non-covalent It can include one or more nucleotides attached by binding interactions. In some embodiments, the two non-functional, non-covalent binding sites are cis or trans binding sites, where "cis binding site" is defined as being in closer proximity than "trans binding site." . Figure 13 further illustrates a non-limiting example 13-3 of generating a streptavidin molecule with two non-functional trans binding sites.
いくつかの実施形態では、リンカーは、ヌクレオチドで構成されていてもよい。図14には、発光分子およびヌクレオチドが保護分子を介して接続されている非限定的な例示的反応スキームが例示されており、発光分子およびヌクレオチドを保護分子に付着させるリンカーは、二価リンカーを介して付着しているオリゴヌクレオチド(例えば、DNA、RNA、PNA、またはそれらの修飾形態を含むオリゴヌクレオチド)を含む。オリゴヌクレオチドで構成される二価リンカー(360)が、保護分子の2つの独立した非共有結合部位に非共有結合で結合されている(a)。リンカー(360)に相補的なオリゴヌクレオチドに融合されている発光分子(201)が、発光標識保護分子を生成するために導入される(b)。オリゴヌクレオチドで構成される第2の二価リンカー(361)が、導入される(c)。リンカー(361)に相補的なオリゴヌクレオチドに融合されているヌクレオチド(251)が、最終産物を生成するために導入される(d)。 In some embodiments, the linker may be made up of nucleotides. Figure 14 illustrates a non-limiting exemplary reaction scheme in which a luminescent molecule and a nucleotide are connected via a protecting molecule, and the linker that attaches the luminescent molecule and nucleotide to the protecting molecule is a divalent linker. including oligonucleotides (eg, oligonucleotides comprising DNA, RNA, PNA, or modified forms thereof) that are attached via the DNA. A bivalent linker (360) composed of oligonucleotides is non-covalently attached to two independent non-covalent attachment sites of the protective molecule (a). A luminescent molecule (201) fused to an oligonucleotide complementary to the linker (360) is introduced (b) to generate a luminescent labeled protective molecule. A second bivalent linker (361) composed of oligonucleotides is introduced (c). A nucleotide (251) fused to an oligonucleotide complementary to the linker (361) is introduced to generate the final product (d).
図15には、アニーリングされた相補的オリゴヌクレオチドを介して発光分子が保護分子に付着している非限定的な例示的反応スキームが例示されており、各オリゴヌクレオチド鎖は、保護分子の結合部位と適合する1つの非共有結合リガンドを含有している。発光分子および非共有結合リガンドに融合されている第1のオリゴヌクレオチド(362)は、非共有結合リガンドに融合されている相補的オリゴヌクレオチド(363)にアニーリングされる(i)。アニーリング産物(364)は、保護分子に結合され(ii)、精製される。精製された発光標識保護分子は、本明細書で開示されている任意の技法または構成を使用して、ヌクレオチドと結合される(iii)。また、図15には、反応スキームの非限定的な例と類似した二本鎖DNAリンカーを使用してCy(登録商標)3色素で標識されていたヌクレオチドを使用して実施された例示的な配列決定実験が図示されている。 Figure 15 illustrates a non-limiting exemplary reaction scheme in which a luminescent molecule is attached to a protective molecule via complementary annealed oligonucleotides, each oligonucleotide strand having a binding site for a protective molecule. contains one non-covalently bound ligand compatible with A first oligonucleotide (362) fused to a luminescent molecule and a non-covalent ligand is annealed to a complementary oligonucleotide (363) fused to the non-covalent ligand (i). Annealing products (364) are bound (ii) to protective molecules and purified. Purified luminescent-labeled protecting molecules are conjugated to nucleotides using any of the techniques or configurations disclosed herein (iii). Also shown in FIG. 15 is an exemplary non-limiting example reaction scheme performed using nucleotides that were labeled with Cy® dye using a double-stranded DNA linker. A sequencing experiment is shown.
いくつかの実施形態では、1つまたは複数のリンカーは、保護分子および/または発光分子と共有結合で付着している。いくつかの実施形態では、1つまたは複数のリンカーは、保護分子および/またはヌクレオチドと共有結合で付着している。 In some embodiments, one or more linkers are covalently attached to the protective molecule and/or the luminescent molecule. In some embodiments, one or more linkers are covalently attached to protective molecules and/or nucleotides.
図16~20には、保護分子を介して接続されている発光分子およびヌクレオチドの非限定的な例が例示されており、発光分子およびヌクレオチドは、保護分子と共有結合で付着している。 Figures 16-20 illustrate non-limiting examples of luminescent molecules and nucleotides connected via a protecting molecule, where the luminescent molecule and nucleotide are covalently attached to the protecting molecule.
図16には、一般的保護分子(暗色形状)を生成するための反応スキーム16-1が図示されており、保護分子は、2つの遺伝子学的にコードされたタグを含んでいる。遺伝子学的にコードされたタグ(325)は、発光分子に融合されている特定の反応基との共有結合による付着を形成するように設計されており(i)、別の遺伝子学的にコードされたタグ(375)は、ヌクレオチドに融合されている特定の反応基との共有結合による付着を形成して(ii)、最終産物(c)を形成するように設計されている。図16には、アジド、アルデヒド、またはアルキン等のバイオ直交性官能基(星型形状)を含む一般的基質を、遺伝子学的にコードされたタグ(曲線)を介して、共有結合により付着させるためのスキーム16-2の非限定的な実施形態が、遺伝子学的にコードされたタグおよび動力学速度定数の非限定的な例16-3と共にさらに図示されている。 FIG. 16 depicts a reaction scheme 16-1 for generating a generic protection molecule (dark shape), which includes two genetically encoded tags. A genetically encoded tag (325) is designed to form a covalent attachment with a specific reactive group that is fused to a luminescent molecule (i) and another genetically encoded tag (325). The tagged tag (375) is designed to form a covalent attachment with a specific reactive group fused to the nucleotide (ii) to form the final product (c). In FIG. 16, generic substrates containing bioorthogonal functional groups (star shape) such as azides, aldehydes, or alkynes are covalently attached via genetically encoded tags (curves). A non-limiting embodiment of Scheme 16-2 for is further illustrated with non-limiting examples 16-3 of genetically encoded tags and kinetic rate constants.
図17には、一般的保護分子(暗色形状)を生成するための反応スキーム17-1の非限定的な例が例示されており、保護分子は、N末端の反応基およびC末端の反応基を含むタンパク質である。タンパク質の第1の末端の第1の反応基(326)は、発光分子に融合されている特定の反応基との共有結合による付着を形成するように設計されている。タンパク質の残りの末端の第2の反応基(376)は、ヌクレオチドに融合されている特定の反応基との共有結合による付着を形成するように設計されている。反応性N末端基および反応性C末端基ならびに対応する反応基の非限定的な例17-2が、さらに図示されている。 FIG. 17 illustrates a non-limiting example of Reaction Scheme 17-1 for producing a generic protected molecule (dark shape), where the protected molecule has a reactive group at the N-terminus and a reactive group at the C-terminus. is a protein containing A first reactive group (326) at the first end of the protein is designed to form a covalent attachment with a specific reactive group that is fused to the luminescent molecule. A second reactive group (376) on the remaining end of the protein is designed to form a covalent attachment with a specific reactive group fused to a nucleotide. Non-limiting examples 17-2 of reactive N-terminal groups and reactive C-terminal groups and corresponding reactive groups are further illustrated.
図18には、一般的保護分子(暗色形状)を生成するための反応スキーム18-1の非限定的な例が例示されており、保護分子は、タンパク質の1つの部分に反応性非天然アミノ酸を含み、タンパク質の別の部分に反応性非天然アミノ酸を含むタンパク質である。タンパク質の第1の部分の第1の反応性非天然アミノ酸(327)は、発光分子に融合されている特定の反応基との共有結合による付着を形成するように設計されている。タンパク質の第2の部分の第2の反応性非天然アミノ酸(377)は、ヌクレオチドに融合されている特定の反応基との共有結合による付着を形成するように設計されている。図18には、標的タンパク質の化学標識の一般的で非限定的なスキーム18-2がさらに図示されている。この例では、固有の双直交性官能性を担持する非天然アミノ酸(例えば、非限定的な例18-3から選択される非天然アミノ酸)が、遺伝子コード拡張により部位特異的にタンパク質に導入され、その後、外部的に付加されたプローブで化学選択的に標識される。 FIG. 18 illustrates a non-limiting example of reaction scheme 18-1 for generating generic protected molecules (dark shapes), which are reactive unnatural amino acids to one portion of the protein. is a protein that contains a reactive unnatural amino acid in another part of the protein. A first reactive unnatural amino acid (327) of the first portion of the protein is designed to form a covalent attachment with a specific reactive group that is fused to the luminescent molecule. A second reactive unnatural amino acid (377) of the second portion of the protein is designed to form a covalent attachment with a specific reactive group fused to the nucleotide. FIG. 18 further illustrates a general non-limiting scheme 18-2 for chemical labeling of target proteins. In this example, an unnatural amino acid bearing a unique biorthogonal functionality (eg, an unnatural amino acid selected from non-limiting Example 18-3) is site-specifically introduced into the protein by genetic code expansion. , which is then chemoselectively labeled with an externally added probe.
図19Aには、非タンパク質保護分子(101)により隔てられている発光分子およびヌクレオチドの非限定的な例である。非タンパク質保護分子の非限定的な例としては、核酸分子(デオキシリボ核酸、リボ核酸)、脂質、およびカーボンナノチューブを挙げることができる。表示されているように、発光分子およびヌクレオチドは、非タンパク質保護分子に直接的に付着している(例えば、共有結合で付着している)。いくつかの実施形態では、発光分子およびヌクレオチドは、非タンパク質保護分子の近接部分に直接的に付着している。例えば、いくつかの実施形態では、非タンパク質保護分子は核酸分子であり、発光分子および/またはヌクレオチドは、核酸分子のヌクレオチドに直接的に結合されている。いくつかの実施形態では、発光分子および/またはヌクレオチドは、非タンパク質保護分子の近接部分ではない非タンパク質保護分子にリンカーを介して付着している。例えば、いくつかの実施形態では、非タンパク質保護分子は核酸分子であり、発光分子および/またはヌクレオチドは、リンカーを介して核酸に付着している。 Figure 19A is a non-limiting example of a luminescent molecule and a nucleotide separated by a non-protein protecting molecule (101). Non-limiting examples of non-protein protective molecules can include nucleic acid molecules (deoxyribonucleic acid, ribonucleic acid), lipids, and carbon nanotubes. As indicated, the luminescent molecule and the nucleotide are directly attached (eg, covalently attached) to the non-protein protecting molecule. In some embodiments, the luminescent molecule and nucleotide are directly attached to adjacent moieties of the non-protein protecting molecule. For example, in some embodiments, the non-protein protective molecule is a nucleic acid molecule and the luminescent molecule and/or nucleotides are directly attached to the nucleotides of the nucleic acid molecule. In some embodiments, the luminescent molecule and/or nucleotide is attached via a linker to the non-protein protecting molecule that is not a contiguous part of the non-protein protecting molecule. For example, in some embodiments the non-protein protective molecule is a nucleic acid molecule and the luminescent molecule and/or nucleotides are attached to the nucleic acid via a linker.
いくつかの実施形態では、図19Bに図示されているように、発光分子およびヌクレオチドは、反応性部分を介して非タンパク質保護分子に付着していてもよい。この例では、発光分子における反応性部分(550)は、非タンパク質保護分子の対応する反応性部分(500)を介して非タンパク質保護分子に共有結合で付着している。ヌクレオチドにおける反応性部分(551)は、非タンパク質保護分子の対応する反応性部分(501)を介して非タンパク質保護分子(101)に共有結合で付着している。いくつかの実施形態では、反応性部分500および/または反応性部分501は、非タンパク質保護分子の近接部分に直接的に付着している。いくつかの実施形態では、反応性部分500および/または反応性部分501は、非タンパク質保護分子の近接部分ではない非タンパク質保護分子にリンカーを介して付着している。
In some embodiments, luminescent molecules and nucleotides may be attached to non-protein protecting molecules via reactive moieties, as illustrated in FIG. 19B. In this example, the reactive moiety (550) in the luminescent molecule is covalently attached to the non-protein protecting molecule via the corresponding reactive moiety (500) in the non-protein protecting molecule. A reactive moiety (551) at the nucleotide is covalently attached to the non-protein protecting molecule (101) via the corresponding reactive moiety (501) of the non-protein protecting molecule. In some embodiments,
いくつかの実施形態では、保護分子は、タンパク質-タンパク質対で構成される。タンパク質-タンパク質対は、任意の組のポリペプチド結合パートナーを構成してもよい(例えば、タンパク質-受容体、酵素-阻害剤、抗体-抗原)。図20には、タンパク質-タンパク結合対で構成されている保護分子の非限定的な実施形態が図示されている。この非限定的な例では、結合対の一方のポリペプチド(102)は、発光分子と直交的に標識され、第2のポリペプチド(103)は、ヌクレオチドと直交的に連結されている。タンパク質-タンパク結合対の非限定的な例としては、トリプシン-BPTI、バルナーゼ-バルスター、およびコリシンE9ヌクレアーゼ-Im9免疫タンパク質が挙げられる。 In some embodiments, protective molecules are composed of protein-protein pairs. A protein-protein pair may constitute any set of polypeptide binding partners (eg, protein-receptor, enzyme-inhibitor, antibody-antigen). Figure 20 illustrates a non-limiting embodiment of protective molecules composed of protein-protein binding pairs. In this non-limiting example, one polypeptide (102) of the binding pair is orthogonally labeled with a luminescent molecule and the second polypeptide (103) is orthogonally linked with nucleotides. Non-limiting examples of protein-protein binding pairs include trypsin-BPTI, barnase-barstar, and colicin E9 nuclease-Im9 immunoprotein.
図21には、非共有結合リガンドに付着している1つまたは複数の発光分子を含むリンカー構成の非限定的な例が図示されている。実施形態21-1では、非共有結合リガンド(410)、スペーサーリンカー(310)、および反応性部分(510)を含む第1のリンカー層が、適合する反応性部分(211)を含む発光分子(210)に付着している。第1のリンカー層の反応性部分は、適合する反応性部分を介して発光分子またはヌクレオチドに直接的に付着するために使用されることが可能である。第1のリンカー層の反応性部分は、適合する反応性部分を介して第2のリンカー層を付着させるために使用されることが可能である。実施形態21-2では、2つの発光分子が、第2のリンカー層を介して第1のリンカー層に付着されており、第2のリンカー層は、第1の層の反応性部分と適合する反応性部分、分岐点を含むスペーサーリンカー(312)、および発光分子の反応性部分と適合する2つの反応性部分(522)を含んでいる。第2のリンカー層の2つ反応性部分は、発光分子またはヌクレオチド分子に直接的に付着するために使用されることが可能である。第2のリンカー層の2つの反応性部分は、第3のリンカー層と付着して、リンカー構成を含む発光分子またはヌクレオチドの数をさらに増加させるために使用されることが可能である。実施形態21-3では、6つの発光分子が、各反応性部分(522)に結合されている第3のリンカー層を介して第2のリンカー層に付着しており、各第3のリンカー層は、適合する反応性部分(513)、三官能化されているスペーサーリンカー(313)、および発光分子の反応性部分と適合する3つの反応性部分(523)を含んでいる。 Figure 21 illustrates non-limiting examples of linker configurations comprising one or more luminescent molecules attached to non-covalently bound ligands. In embodiment 21-1, a first linker layer comprising a non-covalently bound ligand (410), a spacer linker (310), and a reactive moiety (510) comprises a luminescent molecule ( 210). The reactive moieties of the first linker layer can be used to directly attach light emitting molecules or nucleotides via matching reactive moieties. The reactive moieties of the first linker layer can be used to attach the second linker layer via matching reactive moieties. In embodiment 21-2, two light emitting molecules are attached to the first linker layer via a second linker layer, the second linker layer being compatible with the reactive moieties of the first layer. It includes a reactive moiety, a spacer linker (312) containing a branch point, and two reactive moieties (522) that match the reactive moieties of the luminescent molecule. The two reactive moieties of the second linker layer can be used to directly attach light emitting molecules or nucleotide molecules. The two reactive moieties of the second linker layer can be used to attach with the third linker layer to further increase the number of luminescent molecules or nucleotides containing linker configurations. In embodiment 21-3, six luminescent molecules are attached to the second linker layer via a third linker layer attached to each reactive moiety (522), each third linker layer contains a matching reactive moiety (513), a trifunctionalized spacer linker (313), and three reactive moieties (523) that match the reactive moieties of the luminescent molecule.
したがって、発光標識は、分子に直接的に、例えば結合により付着していてもよく、またはリンカーもしくはリンカー構成を介して付着していてもよい。ある実施形態では、リンカーは、1つまたは複数のリン酸を含む。いくつかの実施形態では、ヌクレオチドは、1つまたは複数のリン酸を含むリンカーにより発光標識に接続されている。本明細書で使用される場合、1つまたは複数のリン酸を有すると記載されているリンカーは、リンカー構造内に存在し、ヌクレオチドの1つまたは複数のリン酸に直接的に付着していない1つまたは複数のリン酸を含むリンカーを指す。いくつかの実施形態では、ヌクレオチドは、3つ以上のリン酸を含むリンカーにより発光標識に接続されている。いくつかの実施形態では、ヌクレオチドは、4つ以上のリン酸を含むリンカーにより発光標識に接続されている。 Thus, the luminescent label may be attached to the molecule directly, eg, by a bond, or via a linker or linker construct. In some embodiments, a linker comprises one or more phosphates. In some embodiments, the nucleotide is connected to the luminescent label by a linker comprising one or more phosphates. As used herein, a linker described as having one or more phosphates is present within the linker structure and is not directly attached to one or more phosphates of a nucleotide Refers to a linker containing one or more phosphates. In some embodiments, the nucleotide is connected to the luminescent label by a linker containing 3 or more phosphates. In some embodiments, the nucleotide is connected to the luminescent label by a linker containing 4 or more phosphates.
ある実施形態では、リンカーは、脂肪族鎖を含む。いくつかの実施形態では、リンカーは、-(CH2)n-を含み、式中、nは、1以上20以下の整数である。いくつかの実施形態では、nは、1以上10以下の整数である。ある実施形態では、リンカーは、ヘテロ脂肪族鎖を含む。いくつかの実施形態では、リンカーは、ポリエチレングリコール部分を含む。いくつかの実施形態では、リンカーは、ポリプロピレングリコール部分を含む。いくつかの実施形態では、リンカーは、-(CH2CH2O)n-を含み、式中、nは、1以上20以下の整数である。いくつかの実施形態では、リンカーは、-(CH2CH2O)n-を含み、式中、nは、1以上10以下の整数である。ある実施形態では、リンカーは、-(CH2CH2O)4-を含む。ある実施形態では、リンカーは、1つまたはアリーレンを含む。いくつかの実施形態では、リンカーは、1つまたは複数のフェニレン(例えば、パラ置換フェニレン)を含む。ある実施形態では、リンカーは、キラル中心を含む。いくつかの実施形態では、リンカーは、プロリンまたはその誘導体を含む。いくつかの実施形態では、リンカーは、プロリンヘキサマーまたはその誘導体を含む。いくつかの実施形態では、リンカーは、クマリンまたはその誘導体を含む。いくつかの実施形態では、リンカーは、ナフタレンまたはその誘導体を含む。いくつかの実施形態では、リンカーは、アントラセンまたはその誘導体を含む。いくつかの実施形態では、リンカーは、ポリフェニルアミドまたはその誘導体を含む。いくつかの実施形態では、リンカーは、クロマノンまたはその誘導体を含む。いくつかの実施形態では、リンカーは、4-アミノプロパルギル-L-フェニルアラニンまたはその誘導体を含む。ある実施形態では、リンカーは、ポリペプチドを含む。 In some embodiments, the linker comprises an aliphatic chain. In some embodiments, the linker comprises -(CH 2 ) n -, where n is an integer from 1 to 20 inclusive. In some embodiments, n is an integer greater than or equal to 1 and less than or equal to 10. In some embodiments, the linker comprises a heteroaliphatic chain. In some embodiments, the linker comprises a polyethylene glycol moiety. In some embodiments, the linker comprises a polypropylene glycol moiety. In some embodiments, the linker comprises -(CH 2 CH 2 O) n -, where n is an integer from 1 to 20 inclusive. In some embodiments, the linker comprises -(CH 2 CH 2 O) n -, where n is an integer from 1 to 10 inclusive. In some embodiments, the linker comprises -(CH 2 CH 2 O) 4 -. In some embodiments, the linker comprises one or an arylene. In some embodiments, the linker comprises one or more phenylenes (eg, para-substituted phenylenes). In some embodiments, the linker contains a chiral center. In some embodiments, the linker comprises proline or a derivative thereof. In some embodiments, the linker comprises a proline hexamer or derivative thereof. In some embodiments, the linker comprises coumarin or a derivative thereof. In some embodiments, the linker comprises naphthalene or a derivative thereof. In some embodiments, the linker comprises anthracene or a derivative thereof. In some embodiments, the linker comprises polyphenylamide or a derivative thereof. In some embodiments, the linker comprises a chromanone or derivative thereof. In some embodiments, the linker comprises 4-aminopropargyl-L-phenylalanine or a derivative thereof. In some embodiments, a linker comprises a polypeptide.
いくつかの実施形態では、リンカーは、オリゴヌクレオチドを含む。いくつかの実施形態では、リンカーは、2つのアニーリングされたオリゴヌクレオチドを含む。いくつかの実施形態では、1つまたは複数のオリゴヌクレオチドは、デオキシリボースヌクレオチド、リボースヌクレオチド、またはロックドリボースヌクレオチドを含む。 In some embodiments the linker comprises an oligonucleotide. In some embodiments, the linker comprises two annealed oligonucleotides. In some embodiments, the one or more oligonucleotides comprise deoxyribose, ribose, or locked ribose nucleotides.
ある実施形態では、リンカーは、光安定剤を含む。いくつかの実施形態では、リンカーは、以下の式: In some embodiments, the linker comprises a photostabilizer. In some embodiments, the linker has the formula:
であり、式中、PSは光安定剤であり、dと表記されている位置は、発光標識に付着しており、bと表記されている位置は、ヌクレオチドに付着している。いくつかの実施形態では、dと表記されている位置は、本明細書に記載されているリンカーにより発光標識に付着している。いくつかの実施形態では、bと表記されている位置は、本明細書に記載されているリンカーによりヌクレオチドに付着している。
where P S is a light stabilizer, the position labeled d is attached to the luminescent label and the position labeled b is attached to the nucleotide. In some embodiments, the position designated d is attached to the luminescent label by a linker described herein. In some embodiments, the position designated b is attached to the nucleotide by a linker as described herein.
ある実施形態では、リンカーは1つまたは複数のリン酸、脂肪族鎖、ヘテロ脂肪族鎖、および1つまたは複数のアミド(例えば、-C(=O)NH-)を含む。ある実施形態では、1つまたは複数のリン酸および脂肪族鎖を含むリンカーは、図22に図示されている例示的な反応スキーム22-1を介して合成されることが可能である。例示的なリンカー構造は、22-2および22-3にさらに図示されている。ある実施形態では、リンカーは、表3に図示されているリンカーから選択される。表3のある例示的なリンカー構造は、ヌクレオチド(例えば、ヌクレオシド六リン酸)および/または色素に連結されて表示されている。 In some embodiments, the linker comprises one or more phosphates, aliphatic chains, heteroaliphatic chains, and one or more amides (eg, -C(=O)NH-). In certain embodiments, linkers comprising one or more phosphates and an aliphatic chain can be synthesized via exemplary reaction scheme 22-1 illustrated in FIG. Exemplary linker structures are further illustrated at 22-2 and 22-3. In some embodiments, the linker is selected from those illustrated in Table 3. Certain exemplary linker structures in Table 3 are shown linked to nucleotides (eg, nucleoside hexaphosphates) and/or dyes.
ある実施形態では、リンカーは、1つまたは複数のリン酸、脂肪族鎖、ヘテロ脂肪族鎖、1つまたは複数のアミド(例えば、-C(=O)NH-)、および1つまたは複数のビオチン部分を含む。ある実施形態では、ビオチン化リンカーは、1つまたは複数の官能化可能な反応性部分(例えば、アセチレン基、アジド基)を含有する。ある実施形態では、リンカーは、表4に図示されている非限定的なリンカーから選択される。表4のある例示的なリンカー構造は、ヌクレオチド(例えば、ヌクレオシド六リン酸)に連結されて表示されている。
In some embodiments, the linker comprises one or more phosphates, aliphatic chains, heteroaliphatic chains, one or more amides (eg, -C(=O)NH-), and one or more Contains a biotin moiety. In certain embodiments, biotinylated linkers contain one or more functionalizable reactive moieties (eg, acetylene groups, azide groups). In some embodiments, the linker is selected from the non-limiting linkers illustrated in Table 4. Certain exemplary linker structures in Table 4 are shown linked to nucleotides (eg, nucleoside hexaphosphates).
いくつかの実施形態では、リンカーは、第1の層ならびに任意選択で第2のおよび/または第3の層を含む前駆体から合成される。いくつかの実施形態では、「第1の層」は、1つまたは複数のビオチン部分を含有する。ある実施形態では、リンカーの第1の層は、単一のビオチン部分を含有する。ある実施形態では、リンカーの第1の層は、2つのビオチン部分を含有する。いくつかの実施形態では、第1の層は、1つまたは複数の反応性部分(例えば、アジド基、アセチレン基、カルボキシル基、アミノ基)を含有する。いくつかの実施形態では、リンカーの第1の層は、表5に図示されている構造から選択される。
In some embodiments, the linker is synthesized from a precursor comprising a first layer and optionally a second and/or third layer. In some embodiments, the "first layer" contains one or more biotin moieties. In some embodiments, the first layer of linker contains a single biotin moiety. In some embodiments, the first layer of linker contains two biotin moieties. In some embodiments, the first layer contains one or more reactive moieties (eg, azide groups, acetylene groups, carboxyl groups, amino groups). In some embodiments, the first layer of linkers is selected from the structures depicted in Table 5.
いくつかの実施形態では、リンカーの第1の層は、以下の例示的な反応スキームに従って合成されることが可能である。
In some embodiments, the first layer of linkers can be synthesized according to the following exemplary reaction scheme.
更なる実施形態では、リンカーの第1の層は、以下の例示的な反応スキームに従って合成されることが可能である。
In a further embodiment, the first layer of linkers can be synthesized according to the following exemplary reaction scheme.
また更なる実施形態では、リンカーの第1の層は、以下の例示的な反応スキームに従って合成されることが可能である。
In yet further embodiments, the first layer of linkers can be synthesized according to the following exemplary reaction scheme.
いくつかの実施形態では、「第2の層」は、1つまたは複数の反応性部分(例えば、アジド基、アセチレン基、カルボキシル基、アミノ基)を含有している。いくつかの実施形態では、第2の層は、リンカーの第1の層に共有結合で付着している。いくつかの実施形態では、第2の層により、第1の層が第3の層と共有結合で接続されている。いくつかの実施形態では、第3の層は、1つまたは複数の反応性部分(例えば、アジド基、アセチレン基、カルボキシル基、アミノ基)を含有する。いくつかの実施形態では、第3の層は、リンカーの第1の層に共有結合で付着している。いくつかの実施形態では、第3の層は、第2の層を介して第1の層と共有結合で接続されている。いくつかの実施形態では、リンカーは、第1および第2の層を含む。いくつかの実施形態では、リンカーは、第1および第3の層を含む。いくつかの実施形態では、リンカーは、第1、第2、および第3の層を含む。ある実施形態では、第2および/または第3のリンカー層は、表6に図示されている構造から選択される。
In some embodiments, the "second layer" contains one or more reactive moieties (eg, azide groups, acetylene groups, carboxyl groups, amino groups). In some embodiments, the second layer is covalently attached to the first layer of linkers. In some embodiments, the second layer covalently connects the first layer to the third layer. In some embodiments, the third layer contains one or more reactive moieties (eg, azide groups, acetylene groups, carboxyl groups, amino groups). In some embodiments, the third layer is covalently attached to the first layer of linkers. In some embodiments, the third layer is covalently connected to the first layer through the second layer. In some embodiments, the linker comprises first and second layers. In some embodiments, the linker comprises first and third layers. In some embodiments, the linker comprises first, second and third layers. In some embodiments, the second and/or third linker layers are selected from the structures illustrated in Table 6.
いくつかの実施形態では、第1の層を超える層(例えば、第2の層および/または第3の層)を含むリンカーは、以下の例示的な反応スキームに従って合成されることが可能である。
In some embodiments, linkers comprising layers beyond the first layer (e.g., second and/or third layers) can be synthesized according to the following exemplary reaction schemes .
いくつかの実施形態では、少なくとも第2および第3の層を含むリンカーは、以下の例示的な反応スキームに従って合成されることが可能である。
In some embodiments, a linker comprising at least second and third layers can be synthesized according to the following exemplary reaction scheme.
ビオチン化リンカーを有する例示的な発光標識が、表7に表示されている。表7に図示されている色素の代わりに、異なる発光標識が用いられることが可能であることが理解されるべきである。
Exemplary luminescent labels with biotinylated linkers are displayed in Table 7. It should be understood that different luminescent labels can be used in place of the dyes illustrated in Table 7.
試料ウェル(例えば、ナノ開口部)表面調製物
ある実施形態では、1つ以上の発光標識分子を検出する方法を、標的容積部(例えば、反応容積)に拘束された分子を使用して、実施する。いくつかの実施形態では、標的容積部は、試料ウェル内の領域(例えば、ナノ開口部)である。試料ウェル(例えば、ナノ開口部)の実施形態および試料ウェル(例えば、ナノ開口部)の作製は、本明細書の他の箇所に記載されている。ある実施形態では、試料ウェル(例えば、ナノ開口部)は、第1の材料を含む底面と、複数の金属または金属酸化物層によって形成される側壁とを備える。いくつかの実施形態では、第1の材料は、透明な材料またはガラスである。いくつかの実施形態では、底面は平坦である。いくつかの実施形態では、底面は湾曲したウェルである。いくつかの実施形態では、底面は、複数の金属または金属酸化物層によって形成された側壁の下の側壁の一部を含む。いくつかの実施形態では、第1の材料は、溶融シリカまたは二酸化ケイ素である。いくつかの実施形態では、複数の層はそれぞれ、金属(例えば、Al、Ti)または金属酸化物(例えば、Al2O3、TiO2、TiN)を含む。
Sample Well (e.g., Nanoaperture) Surface Preparation In certain embodiments, methods of detecting one or more luminescent labeled molecules are performed using molecules confined to a target volume (e.g., reaction volume). do. In some embodiments, the target volume is a region (eg, a nanoaperture) within the sample well. Embodiments of sample wells (eg, nanoapertures) and fabrication of sample wells (eg, nanoapertures) are described elsewhere herein. In some embodiments, a sample well (eg, nanoopening) comprises a bottom surface comprising a first material and sidewalls formed by a plurality of metal or metal oxide layers. In some embodiments, the first material is a transparent material or glass. In some embodiments, the bottom surface is flat. In some embodiments, the bottom surface is a curved well. In some embodiments, the bottom surface includes a portion of the sidewall below sidewalls formed by multiple metal or metal oxide layers. In some embodiments, the first material is fused silica or silicon dioxide. In some embodiments, each of the multiple layers comprises a metal (eg, Al, Ti) or metal oxide (eg, Al2O3 , TiO2 , TiN).
パッシベーション
1つ以上の分子または複合体が底面に固定化されている実施形態では、側壁をパッシベーションして側壁表面に固定するのを防止することが望ましい場合がある。いくつかの実施形態では、側壁は、側壁表面上に金属または金属酸化物バリア層を堆積させる工程と、バリア層に被覆を施す工程とによってパッシベーションされる。いくつかの実施形態では、金属酸化物バリア層は、酸化アルミニウムを含む。いくつかの実施形態では、堆積する工程は、側壁表面および底面上に金属または金属酸化物バリア層を堆積させる工程を包含する。いくつかの実施形態では、堆積する工程は、底面から金属または金属酸化物バリア層をエッチングする工程をさらに包含する。
Passivation In embodiments where one or more molecules or complexes are immobilized on the bottom surface, it may be desirable to passivate the sidewalls to prevent immobilization to the sidewall surface. In some embodiments, the sidewalls are passivated by depositing a metal or metal oxide barrier layer on the sidewall surface and applying a coating to the barrier layer. In some embodiments, the metal oxide barrier layer comprises aluminum oxide. In some embodiments, depositing includes depositing a metal or metal oxide barrier layer on the sidewall surfaces and the bottom surface. In some embodiments, the depositing step further comprises etching the metal or metal oxide barrier layer from the bottom surface.
いくつかの実施形態では、バリア層被覆は、ホスホナート基を含む。いくつかの実施形態では、バリア層被覆は、アルキル鎖を有するホスホナート基を含む。いくつかの実施形態では、アルキル鎖は、1~20個の炭素原子を有する直鎖飽和炭化水素基を含む。いくつかの実施形態では、バリア層被覆は、ヘキシルホスホン酸(HPA)を含む。いくつかの実施形態では、バリア層被覆は、高分子ホスホナートを含む。いくつかの実施形態では、バリア層被覆は、ポリビニルホスホン酸(PVPA)を含む。いくつかの実施形態では、バリア層被覆は、置換アルキル鎖を有するホスホナート基を含む。いくつかの実施形態では、アルキル鎖は、1つ以上のアミドを含む。いくつかの実施形態では、アルキル鎖は、1つ以上のポリ(エチレングリコール)鎖を含む。いくつかの実施形態では、被覆は、式: In some embodiments, the barrier layer coating comprises phosphonate groups. In some embodiments, the barrier layer coating comprises phosphonate groups with alkyl chains. In some embodiments, the alkyl chain comprises a straight chain saturated hydrocarbon group having 1-20 carbon atoms. In some embodiments, the barrier layer coating comprises hexylphosphonic acid (HPA). In some embodiments, the barrier layer coating comprises polymeric phosphonates. In some embodiments, the barrier layer coating comprises polyvinylphosphonic acid (PVPA). In some embodiments, the barrier layer coating comprises phosphonate groups with substituted alkyl chains. In some embodiments, the alkyl chain includes one or more amides. In some embodiments, the alkyl chains comprise one or more poly(ethylene glycol) chains. In some embodiments, the coating has the formula:
のホスホナート基を含み、
式中nは、0以上100以下の整数であり、
かつ、
containing a phosphonate group of
wherein n is an integer of 0 or more and 100 or less,
and,
は、水素または表面への結合点である。いくつかの実施形態では、nは3以上20以下の整数である。いくつかの実施形態では、バリア層被覆は、異なる種類のホスホナート基の混合物を含む。いくつかの実施形態では、バリア層被覆は、異なるPEG重量のポリ(エチレングリコール)鎖を含むホスホナート基の混合物を含む。
is the point of attachment to the hydrogen or surface. In some embodiments, n is an integer greater than or equal to 3 and less than or equal to 20. In some embodiments, the barrier layer coating comprises a mixture of different types of phosphonate groups. In some embodiments, the barrier layer coating comprises a mixture of phosphonate groups comprising poly(ethylene glycol) chains of different PEG weights.
ある実施形態では、バリア層はニトロドーパ基を含む。ある実施形態では、バリア層被覆は、式: In some embodiments, the barrier layer comprises nitrodopa groups. In some embodiments, the barrier layer coating has the formula:
の基を含み、
式中、RNは必要に応じて置換されているアルキル鎖であり、かつ、
containing the group of
wherein R N is an optionally substituted alkyl chain, and
は、水素または表面への結合点である。いくつかの実施形態では、RNはポリマーを含む。いくつかの実施形態では、RNは、ポリ(リシン)またはポリ(エチレングリコール)を含む。いくつかの実施形態では、バリア層は、リシンモノマーを含むポリ(リシン)のコポリマーを含み、ここでリシンモノマーは、独立してPEG、ニトロドーパ基、ホスホナート基、または第1級アミンを含む。ある実施形態では、バリア層は、式(P)のポリマーを含む:
is the point of attachment to the hydrogen or surface. In some embodiments, RN comprises a polymer. In some embodiments, RN comprises poly(lysine) or poly(ethylene glycol). In some embodiments, the barrier layer comprises a copolymer of poly(lysine) comprising lysine monomers, where the lysine monomers independently comprise PEG, nitrodopa groups, phosphonate groups, or primary amines. In some embodiments, the barrier layer comprises a polymer of Formula (P):
いくつかの実施形態では、Xは-OMe、ビオチン基、ホスホナートまたはシランである。いくつかの実施形態では、i、j、kおよびlのそれぞれは、独立して0以上100以下の整数である。
In some embodiments, X is -OMe, biotin group, phosphonate or silane. In some embodiments, each of i, j, k and l is independently an integer from 0 to 100 inclusive.
図8は、金属酸化物表面をパッシベーションする2つの方法を示す。8-1において、金属酸化物表面を(2-アミノエチル)ホスホン酸で処理し、(2-アミノエチル)ホスホナート基で被覆した表面を得る。第2のパッシベーション工程では、表面をポリ(エチレングリコール)NHSエステルで処理する。NHSエステルと表面ホスホナート基のアミン基との反応は、アミド結合を形成して、PEG官能化ホスホナート基で被覆された表面を形成する。8-2において、金属酸化物表面を、PEG官能化ホスホン酸で処理して、PEG官能化ホスホナート基で被覆された表面を1つの工程で得る。例示的な実施形態8-2はさらに、2種類のPEG官能化ホスホナート基で被覆された表面を得るための、第2のPEG官能化ホスホン酸の添加を示す。この例では、平均分子量が550である第1のPEGホスホン酸、および平均分子量が180の第2のPEGホスホン酸がある。示されているように、より短いPEG鎖ホスホン酸は、より長いPEG鎖を有する最初のPEGホスホン酸での処理後に残る表面被覆中にギャップ中への充填を補充し得る。 FIG. 8 shows two methods of passivating the metal oxide surface. In 8-1, the metal oxide surface is treated with (2-aminoethyl)phosphonic acid to obtain a surface coated with (2-aminoethyl)phosphonate groups. In a second passivation step, the surface is treated with poly(ethylene glycol) NHS ester. Reaction of the NHS ester with the amine groups of the surface phosphonate groups forms an amide bond to form a surface coated with PEG-functionalized phosphonate groups. In 8-2, a metal oxide surface is treated with PEG-functionalized phosphonic acid to obtain a surface coated with PEG-functionalized phosphonate groups in one step. Exemplary embodiment 8-2 further demonstrates the addition of a second PEG-functionalized phosphonic acid to obtain a surface coated with two types of PEG-functionalized phosphonate groups. In this example, there is a first PEG phosphonic acid with an average molecular weight of 550 and a second PEG phosphonic acid with an average molecular weight of 180. As shown, shorter PEG chain phosphonates can replenish filling into gaps in the surface coverage remaining after treatment with the first PEG phosphonate with longer PEG chains.
ポリメラーゼ固定化
1つ以上の分子または複合体が底面に固定される実施形態では、1つ以上の分子または複合体の結合を可能にするように底面を官能化することが望ましい場合がある。ある実施形態では、底面は透明ガラスを含む。ある実施形態では、底面は、溶融シリカまたは二酸化ケイ素を含む。いくつかの実施形態では、底面は、シランで官能化される。いくつかの実施形態では、底面は、イオン荷電ポリマーで官能化される。いくつかの実施形態では、イオン荷電ポリマーは、ポリ(リシン)を含む。いくつかの実施形態では、底面は、ポリ(リシン)-グラフト-ポリ(エチレングリコール)で官能化される。いくつかの実施形態では、底面は、ビオチン化ウシ血清アルブミン(BSA)で官能化される。
Polymerase Immobilization In embodiments in which one or more molecules or complexes are immobilized on the bottom surface, it may be desirable to functionalize the bottom surface to allow binding of one or more molecules or complexes. In some embodiments, the bottom surface comprises clear glass. In some embodiments, the bottom surface comprises fused silica or silicon dioxide. In some embodiments, the bottom surface is functionalized with silane. In some embodiments, the bottom surface is functionalized with an ionically charged polymer. In some embodiments, the ionically charged polymer comprises poly(lysine). In some embodiments, the bottom surface is functionalized with poly(lysine)-graft-poly(ethylene glycol). In some embodiments, the bottom surface is functionalized with biotinylated bovine serum albumin (BSA).
ある実施形態では、底面は、ニトロドーパ基を含む被覆で官能化される。ある実施形態では、被覆は、式: In some embodiments, the bottom surface is functionalized with a coating comprising nitrodopa groups. In some embodiments, the coating has the formula:
の基を含み、
式中、RNは、必要に応じて置換されているアルキル鎖であり、かつ、
containing the group of
wherein R N is an optionally substituted alkyl chain, and
は、水素または表面への結合点である。いくつかの実施形態では、RNはポリマーを含む。いくつかの実施形態では、RNはポリ(リシン)またはポリ(エチレングリコール)を含む。いくつかの実施形態では、RNはビオチン化ポリ(エチレングリコール)を含む。いくつかの実施形態では、被覆は、PEG、ビオチン化PEG、ニトロドーパ基、ホスホナート基、またはシランを独立して含むリシンモノマーを含む、ポリ(リシン)のコポリマーを含む。ある実施形態では、被覆は、式(P)のポリマー:
is the point of attachment to the hydrogen or surface. In some embodiments, RN comprises a polymer. In some embodiments, RN comprises poly(lysine) or poly(ethylene glycol). In some embodiments, RN comprises biotinylated poly(ethylene glycol). In some embodiments, the coating comprises a copolymer of poly(lysine) comprising lysine monomers that independently comprise PEG, biotinylated PEG, nitrodopa groups, phosphonate groups, or silanes. In some embodiments, the coating comprises a polymer of formula (P):
を含む。
including.
いくつかの実施形態では、Xは-OMe、ビオチン基、ホスホナートまたはシランである。いくつかの実施形態では、i、j、kおよびlのそれぞれは、独立して0以上100以下の整数である。 In some embodiments, X is -OMe, biotin group, phosphonate or silane. In some embodiments, each of i, j, k and l is independently an integer from 0 to 100 inclusive.
いくつかの実施形態では、底面は、アルキル鎖を含むシランで官能化される。いくつかの実施形態では、底面は、必要に応じて置換されているアルキル鎖を含むシランで官能化される。いくつかの実施形態では、底面は、ポリ(エチレングリコール)鎖を含むシランで官能化される。いくつかの実施形態では、底面は、カップリング基を含むシランで官能化される。例えば、カップリング基は、アミン基、カルボキシル基、ヒドロキシル基、スルフヒドリル基、金属、キレート剤などのような化学的部分を含んでもよい。あるいは、ビオチン、アビジン、ストレプトアビジン、ニュートラアビジン、レクチン、SNAP-tag(商標)またはその基質、会合性または結合性のペプチドまたはタンパク質、抗体または抗体断片、核酸または核酸類似体などの特異的結合要素を含んでもよい。さらに、または代替的に、カップリング基は、場合によっては化学官能基および特異的結合要素の両方を含み得る、目的の分子とカップリングまたは結合するために使用されるさらなる基をカップリングさせるために使用されてもよい。一例として、カップリング基、例えばビオチンは、基板表面上に堆積されてもよく、所与の領域において選択的に活性化されてもよい。次に、中間結合剤、例えばストレプトアビジンを、第1のカップリング基にカップリングさせてもよい。この特定の例では、ビオチン化される目的の分子は、次にストレプトアビジンにカップリングされる。 In some embodiments, the bottom surface is functionalized with silanes containing alkyl chains. In some embodiments, the bottom surface is functionalized with a silane containing an optionally substituted alkyl chain. In some embodiments, the bottom surface is functionalized with a silane containing poly(ethylene glycol) chains. In some embodiments, the bottom surface is functionalized with a silane containing coupling groups. For example, coupling groups may include chemical moieties such as amine groups, carboxyl groups, hydroxyl groups, sulfhydryl groups, metals, chelating agents, and the like. Alternatively, specific binding members such as biotin, avidin, streptavidin, neutravidin, lectins, SNAP-tags™ or their substrates, associating or binding peptides or proteins, antibodies or antibody fragments, nucleic acids or nucleic acid analogues. may include Additionally or alternatively, the coupling group may optionally include both a chemical functional group and a specific binding member to couple additional groups used to couple or bond with the molecule of interest. may be used for As an example, coupling groups such as biotin may be deposited on the substrate surface and selectively activated in given areas. An intermediate binding agent, such as streptavidin, may then be coupled to the first coupling group. In this particular example, the molecule of interest to be biotinylated is then coupled to streptavidin.
いくつかの実施形態では、底面は、ビオチンまたはその類似体を含むシランで官能化される。いくつかの実施形態では、底面は、ポリ(エチレングリコール)鎖を含むシランで官能化され、ここでポリ(エチレングリコール)鎖はビオチンを含む。ある実施形態では、底面は、少なくとも1種類のシランがビオチンを含み、かつ少なくとも1種類のシランがビオチンを含まないシラン混合物で官能化される。いくつかの実施形態では、混合物は、ビオチンを含まないシランより約10倍少ない、約25倍少ない、約50倍少ない、約100倍少ない、約250倍少ない、約500倍少ない、または約1000倍少ないビオチン化シランを含む。 In some embodiments, the bottom surface is functionalized with a silane containing biotin or an analogue thereof. In some embodiments, the bottom surface is functionalized with silanes comprising poly(ethylene glycol) chains, where the poly(ethylene glycol) chains comprise biotin. In some embodiments, the bottom surface is functionalized with a silane mixture in which at least one silane includes biotin and at least one silane does not include biotin. In some embodiments, the mixture is about 10 times less, about 25 times less, about 50 times less, about 100 times less, about 250 times less, about 500 times less, or about 1000 times less than the biotin-free silane. Contains less biotinylated silane.
図9は、官能化されたガラス底面を生成する2つの例示的な経路を示す。頂部経路では、ガラス表面を、PEG-シランとビオチン化-PEG-シランの混合物に250:1の比で曝露する。底部経路では、まず、ガラス表面を、イソシアナト-プロピル-トリエトキシシラン(IPTES)に曝露する。イソシアネート基とPEG-アミンおよびビオチン化-PEG-アミンの混合物との反応は、尿素結合を形成し、シラン基を介して表面に結合したPEGおよびビオチン化-PEG鎖を有する表面を生じる。 FIG. 9 shows two exemplary routes to produce a functionalized glass bottom surface. In the top pass, the glass surface is exposed to a mixture of PEG-silane and biotinylated-PEG-silane at a ratio of 250:1. The bottom pass first exposes the glass surface to isocyanato-propyl-triethoxysilane (IPTES). Reaction of isocyanate groups with mixtures of PEG-amine and biotinylated-PEG-amine forms urea linkages, resulting in surfaces with PEG and biotinylated-PEG chains attached to the surface via silane groups.
図7は、製造されたチップから配列決定反応の開始まで試料ウェル表面を調製するための非限定的な例示的プロセスを示す。試料ウェルは、底面(網掛けのない長方形)および側壁(網掛けの棒グラフ)で描かれている。側壁は、複数の層(例えば、Al、Al2O3、Ti、TiO2、TiN)で構成されてもよい。工程(a)において、側壁は、Al2O3のバリア層を堆積される。次いで、Al2O3バリア層を、工程(b)において、例えば、表面を1つ以上のPEG-ホスホン酸で処理することによってPEGホスホナート基で被覆する。工程(c)において、底面を、例えば、PEG-シランとビオチン化-PEG-シランとの混合物で官能化する。楕円は、ポリメラーゼ複合体のような単一分子または複合体の結合のための部位を提供し得る個々のビオチン基を表現する。工程(d)において、ポリメラーゼ複合体は、底面上のビオチン基に結合される。ポリメラーゼは、ストレプトアビジンなどの結合剤およびポリメラーゼ複合体上のビオチンタグによって結合されてもよい。ポリメラーゼ複合体はさらに、鋳型核酸およびプライマー(表示せず)を含んでもよい。工程(e)は、発光標識ヌクレオチドへの固定化ポリメラーゼ複合体の曝露による配列決定反応の開始を示す。 FIG. 7 shows a non-limiting exemplary process for preparing sample well surfaces from fabricated chips to initiation of sequencing reactions. Sample wells are depicted with bottom (unshaded rectangles) and sidewalls (shaded bars). The sidewalls may consist of multiple layers (eg, Al, Al 2 O 3 , Ti, TiO 2 , TiN). In step (a) the sidewalls are deposited with a barrier layer of Al2O3 . The Al 2 O 3 barrier layer is then coated with PEG phosphonate groups in step (b), for example by treating the surface with one or more PEG-phosphonic acids. In step (c), the bottom surface is functionalized with, for example, a mixture of PEG-silane and biotinylated-PEG-silane. Ellipses represent individual biotin groups that can provide sites for binding of single molecules or complexes such as polymerase complexes. In step (d) the polymerase complex is attached to the biotin groups on the bottom surface. The polymerase may be bound by a binding agent such as streptavidin and a biotin tag on the polymerase complex. A polymerase complex may further include a template nucleic acid and primers (not shown). Step (e) depicts initiation of the sequencing reaction by exposure of the immobilized polymerase complex to luminescently labeled nucleotides.
ポリメラーゼ複合体は、複合体を結合混合物中の官能化表面に曝露することによって表面上に固定化され得る。いくつかの実施形態では、結合混合物は、1つ以上の塩を含む。いくつかの実施形態では、塩は酢酸カリウムを含む。いくつかの実施形態では、塩は、塩化カルシウムを含む。いくつかの実施形態では、塩は、約1mM~約10mMの濃度で存在する。いくつかの実施形態では、塩は、約10mM~約50mMの濃度で存在する。いくつかの実施形態では、塩は、約50mM~約100mMの濃度で存在する。いくつかの実施形態では、塩は、約100mM~約250mMの濃度で存在する。いくつかの実施形態では、酢酸カリウムの濃度は約75mMである。いくつかの実施形態では、塩化カルシウムの濃度は約10mMである。いくつかの実施形態では、結合混合物は還元剤を含む。いくつかの実施形態では、還元剤は、ジチオスレイトール(DTT)を含む。いくつかの実施形態では、還元剤は、約1mM~約20mMの濃度で存在する。いくつかの実施形態では、ジチオスレイトールの濃度は約5mMである。いくつかの実施形態では、結合混合物は緩衝液を含む。いくつかの実施形態では、緩衝液はMOPSを含む。いくつかの実施形態では、緩衝液は、約10mM~約100mMの濃度で存在する。いくつかの実施形態では、MOPSの濃度は約50mMである。いくつかの実施形態では、緩衝液は、約5.5~約6.5のpHで存在する。いくつかの実施形態では、緩衝液は、約6.5~約7.5のpHで存在する。いくつかの実施形態では、緩衝液は、約7.5~約8.5のpHで存在する。いくつかの実施形態では、結合混合物は、デオキシヌクレオチド三リン酸(dNTP)を含む。いくつかの実施形態では、デオキシヌクレオチド三リン酸は、250nM~10μMの濃度で存在する。いくつかの実施形態では、dNTPの濃度は約2μMである。いくつかの実施形態では、結合混合物は界面活性剤を含む。いくつかの実施形態では、界面活性剤は、Tween界面活性剤(例えば、Tween20)である。いくつかの実施形態では、界面活性剤は、約0.01%~約0.1%の容積パーセントで存在する。いくつかの実施形態では、Tweenの容積パーセントは約0.03%である。 A polymerase complex can be immobilized on a surface by exposing the complex to the functionalized surface in a binding mixture. In some embodiments, the binding mixture includes one or more salts. In some embodiments the salt comprises potassium acetate. In some embodiments the salt comprises calcium chloride. In some embodiments, the salt is present at a concentration of about 1 mM to about 10 mM. In some embodiments, the salt is present at a concentration of about 10 mM to about 50 mM. In some embodiments, the salt is present at a concentration of about 50 mM to about 100 mM. In some embodiments, the salt is present at a concentration of about 100 mM to about 250 mM. In some embodiments, the concentration of potassium acetate is about 75 mM. In some embodiments, the concentration of calcium chloride is about 10 mM. In some embodiments, the binding mixture includes a reducing agent. In some embodiments, the reducing agent comprises dithiothreitol (DTT). In some embodiments, the reducing agent is present at a concentration of about 1 mM to about 20 mM. In some embodiments, the dithiothreitol concentration is about 5 mM. In some embodiments, the binding mixture includes a buffer. In some embodiments, the buffer comprises MOPS. In some embodiments, the buffer is present at a concentration of about 10 mM to about 100 mM. In some embodiments, the concentration of MOPS is about 50 mM. In some embodiments, the buffer is present at a pH of about 5.5 to about 6.5. In some embodiments, the buffer is present at a pH of about 6.5 to about 7.5. In some embodiments, the buffer is present at a pH of about 7.5 to about 8.5. In some embodiments, the binding mixture includes deoxynucleotide triphosphates (dNTPs). In some embodiments, deoxynucleotide triphosphates are present at a concentration of 250 nM to 10 μM. In some embodiments, the concentration of dNTPs is about 2 μM. In some embodiments, the binding mixture includes a surfactant. In some embodiments, the detergent is a Tween detergent (eg, Tween 20). In some embodiments, the surfactant is present at a volume percent of about 0.01% to about 0.1%. In some embodiments, the volume percent of Tween is about 0.03%.
ポリメラーゼ
本明細書で使用される「ポリメラーゼ」という用語は、一般に、重合反応を触媒し得る任意の酵素(または重合酵素)を指す。ポリメラーゼの例としては、限定するものではないが、核酸ポリメラーゼ、転写酵素またはリガーゼが挙げられる。ポリメラーゼは重合酵素であってもよい。
Polymerase As used herein, the term "polymerase" generally refers to any enzyme (or polymerizing enzyme) capable of catalyzing a polymerization reaction. Examples of polymerases include, but are not limited to, nucleic acid polymerases, transcriptases or ligases. A polymerase may be a polymerizing enzyme.
単一分子核酸伸長(例えば、核酸配列決定のための)に関する実施形態は、標的核酸分子に相補的な核酸を合成することができる任意のポリメラーゼを使用してもよい。いくつかの実施形態では、ポリメラーゼは、DNAポリメラーゼ、RNAポリメラーゼ、逆転写酵素、および/またはそれらの1つ以上の変異体もしくは改変型であってもよい。 Embodiments directed to single-molecule nucleic acid extension (eg, for nucleic acid sequencing) may use any polymerase capable of synthesizing a nucleic acid complementary to a target nucleic acid molecule. In some embodiments, the polymerase may be a DNA polymerase, an RNA polymerase, a reverse transcriptase, and/or one or more mutants or modified forms thereof.
ポリメラーゼの例としては、限定するものではないが、DNAポリメラーゼ、RNAポリメラーゼ、熱安定性ポリメラーゼ、野生型ポリメラーゼ、修飾ポリメラーゼ、E.coli DNAポリメラーゼI、T7 DNAポリメラーゼ、バクテリオファージT4 DNAポリメラーゼψ29(プサイ29)DNAポリメラーゼ、Taqポリメラーゼ、Tthポリメラーゼ、Tliポリメラーゼ、Pfuポリメラーゼ、Pwoポリメラーゼ、Vent(登録商標)ポリメラーゼ、Deep Vent(商標)ポリメラーゼ、Ex Taq(商標)ポリメラーゼ、LA Taq(商標)ポリメラーゼ、Ssoポリメラーゼ、Pocポリメラーゼ、Pabポリメラーゼ、Mthポリメラーゼ、ES4ポリメラーゼ、Truポリメラーゼ、Tacポリメラーゼ、Tneポリメラーゼ、Tmaポリメラーゼ、Tcaポリメラーゼ、Tihポリメラーゼ、Tfiポリメラーゼ、Platinum(登録商標)Taqポリメラーゼ、Tbrポリメラーゼ、Tflポリメラーゼ、Tthポリメラーゼ、Pfuturbo(登録商標)ポリメラーゼ、Pyrobest(商標)ポリメラーゼ、Pwoポリメラーゼ、KODポリメラーゼ、Bstポリメラーゼ、Sacポリメラーゼ、クレノウ断片、3’→5’エキソヌクレアーゼ活性を有するポリメラーゼ、およびそれらの改変体、改変生成物および誘導体が挙げられる。いくつかの実施形態では、ポリメラーゼは、単一サブユニットポリメラーゼである。DNAポリメラーゼの非限定的な例およびそれらの特性は、とりわけ、DNA複製第2版、KornbergおよびBaker、W.H. Freeman、New York、N.Y.(1991)に詳細に記載されている。 Examples of polymerases include, but are not limited to, DNA polymerases, RNA polymerases, thermostable polymerases, wild-type polymerases, modified polymerases, E. coli DNA polymerase I, T7 DNA polymerase, bacteriophage T4 DNA polymerase ψ29 (psi 29) DNA polymerase, Taq polymerase, Tth polymerase, Tli polymerase, Pfu polymerase, Pwo polymerase, Vent® polymerase, Deep Vent™ polymerase , Ex Taq™ polymerase, LA Taq™ polymerase, Sso polymerase, Poc polymerase, Pab polymerase, Mth polymerase, ES4 polymerase, Tru polymerase, Tac polymerase, Tne polymerase, Tma polymerase, Tca polymerase, Tih polymerase, Tfi polymerase , Platinum® Taq polymerase, Tbr polymerase, Tfl polymerase, Tth polymerase, Pfuturbo® polymerase, Pyrobest™ polymerase, Pwo polymerase, KOD polymerase, Bst polymerase, Sac polymerase, Klenow fragment, 3′→5 'Polymerases with exonuclease activity, and variants, modification products and derivatives thereof. In some embodiments, the polymerase is a single subunit polymerase. Non-limiting examples of DNA polymerases and their properties are found, inter alia, in DNA Replication 2nd Edition, Kornberg and Baker, W.; H. Freeman, New York, N.W. Y. (1991).
標的核酸の核酸塩基と相補的なdNTPとの間の塩基対合の際に、ポリメラーゼは、新たに合成された鎖の3’ヒドロキシル末端と、dNTPのαリン酸との間にホスホジエステル結合を形成することにより、dNTPを、新たに合成された核酸鎖に組み込む。dNTPにコンジュゲートされた発光タグがフルオロフォアである例では、その存在は、励起によってシグナル伝達され、組み込みの工程中または工程後に放射のパルスが検出される。dNTPの末端(ガンマ)リン酸にコンジュゲートされる検出標識については、新たに合成された鎖へのdNTPの組み込みにより、βおよびγリン酸塩ならびに試料ウェル中で自由に拡散する検出標識が放出されて、フルオロフォアから検出される放射が減少する。 Upon base pairing between the nucleobases of the target nucleic acid and the complementary dNTP, the polymerase creates a phosphodiester bond between the 3' hydroxyl terminus of the newly synthesized strand and the alpha phosphate of the dNTP. Formation incorporates dNTPs into newly synthesized nucleic acid strands. In instances where the luminescent tag conjugated to the dNTP is a fluorophore, its presence is signaled by excitation and a pulse of emission detected during or after the incorporation step. For detection labels conjugated to terminal (gamma) phosphates of dNTPs, incorporation of dNTPs into newly synthesized strands releases β and γ phosphates as well as detection labels that diffuse freely in the sample well. thus reducing the detected emission from the fluorophore.
いくつかの実施形態では、ポリメラーゼは高い加工性を有するポリメラーゼである。しかし、いくつかの実施形態では、ポリメラーゼは加工性が低下したポリメラーゼである。ポリメラーゼ加工性とは、一般に、核酸鋳型を解放することなくdNTPを核酸鋳型に連続的に組み込むポリメラーゼの能力を指す。 In some embodiments, the polymerase is a highly processable polymerase. However, in some embodiments, the polymerase is a polymerase with reduced processability. Polymerase processability generally refers to the ability of a polymerase to sequentially incorporate dNTPs into a nucleic acid template without releasing the nucleic acid template.
いくつかの実施形態では、ポリメラーゼは、低5’-3’エキソヌクレアーゼ活性および/または3’-5’エキソヌクレアーゼを有するポリメラーゼである。いくつかの実施形態では、ポリメラーゼは、対応する野生型ポリメラーゼと比較して5’-3’エキソヌクレアーゼ活性および/または3’-5’活性が低下するように(例えば、アミノ酸置換によって)修飾される。DNAポリメラーゼのさらなる非限定的な例としては、9°Nm(商標)DNAポリメラーゼ(New England Biolabs)およびクレノウエキソポリメラーゼのP680G変異体が挙げられる(Tuskeら(2000)JBC 275(31):23759~23768)。いくつかの実施形態では、減少した加工性を有するポリメラーゼは、1つ以上のヌクレオチドリピートのストレッチ(例えば、同じ種類の2つ以上の連続塩基)を含む配列決定する鋳型の精度を高める。 In some embodiments, the polymerase is a polymerase with low 5'-3' exonuclease activity and/or 3'-5' exonuclease. In some embodiments, the polymerase is modified (eg, by amino acid substitutions) to have reduced 5'-3' exonuclease activity and/or 3'-5' activity compared to the corresponding wild-type polymerase. be. Further non-limiting examples of DNA polymerases include 9°Nm™ DNA polymerase (New England Biolabs) and the P680G mutant of Klenow exopolymerase (Tuske et al. (2000) JBC 275(31):23759). ~23768). In some embodiments, polymerases with reduced processability increase the accuracy of sequencing templates that contain one or more stretches of nucleotide repeats (eg, two or more consecutive bases of the same type).
いくつかの実施形態では、ポリメラーゼは、標識されていない核酸よりも標識されたヌクレオチドに対して高い親和性を有するポリメラーゼである。
単分子RNA伸長(例えば、RNA配列決定のため)に向けた実施形態は、RNA鋳型から相補的DNA(cDNA)を合成し得る任意の逆転写酵素を使用してもよい。このような実施形態では、逆転写酵素は、RNA鋳型にアニーリングした逆転写プライマーにdNTPを組み込むことを介して、cDNAをRNA鋳型から合成することができるという点で、ポリメラーゼと同様に機能し得る。次いで、cDNAは、配列決定反応に関与し得、その配列は、上記および本明細書の他の箇所のいずれかで決定される。次いで、決定されたcDNAの配列を、配列相補性を介して使用して、元のRNA鋳型の配列を決定してもよい。逆転写酵素の例としては、モロニーマウス白血病ウイルス逆転写酵素(M-MLV)、トリ骨髄芽球症ウイルス(AMV)逆転写酵素、ヒト免疫不全ウイルス逆転写酵素(HIV-1)およびテロメラーゼ逆転写酵素が挙げられる。
In some embodiments, the polymerase is a polymerase that has a higher affinity for labeled nucleotides than for unlabeled nucleic acids.
Embodiments directed to unimolecular RNA extension (eg, for RNA sequencing) may use any reverse transcriptase capable of synthesizing complementary DNA (cDNA) from an RNA template. In such embodiments, a reverse transcriptase may function similarly to a polymerase in that it can synthesize cDNA from an RNA template via incorporation of dNTPs into a reverse transcription primer annealed to the RNA template. . The cDNA can then be subjected to a sequencing reaction, the sequence of which is determined either above and elsewhere herein. The determined sequence of the cDNA may then be used through sequence complementarity to determine the sequence of the original RNA template. Examples of reverse transcriptases include Moloney murine leukemia virus reverse transcriptase (M-MLV), avian myeloblastosis virus (AMV) reverse transcriptase, human immunodeficiency virus reverse transcriptase (HIV-1) and telomerase reverse transcriptase. enzymes.
核酸ポリメラーゼの加工性、エキソヌクレアーゼ活性、異なる種類の核酸に対する相対的な親和性、または他の特性は、対応する野生型ポリメラーゼに関連する突然変異または他の修飾によって、当業者によって増大されるか、または減少され得る。 The processability, exonuclease activity, relative affinity for different types of nucleic acids, or other properties of nucleic acid polymerases may be increased by those skilled in the art by mutations or other modifications relative to the corresponding wild-type polymerases. , or may be reduced.
テンプレート
本開示は、核酸分子のような生体分子またはそのサブユニットを検出するためのデバイス、システムおよび方法を提供する。そのような検出は、配列決定を含み得る。生体分子は、対象(例えば、ヒトまたは他の対象)から得られた生物学的試料から抽出してもよい。いくつかの実施形態では、対象は患者であってもよい。いくつかの実施形態では、標的核酸は、診断目的、予後予測目的および/または治療目的のために検出および/または配列決定され得る。いくつかの実施形態では、配列決定アッセイに関する情報は、疾患または状態の診断、予後予測、および/または処置を支援するために有用であり得る。いくつかの実施形態では、対象は、疾患(例えば、癌)などの健康状態を有する疑いがある場合もある。いくつかの実施形態では、対象は、疾患の治療を受けている場合もある。
Templates The present disclosure provides devices, systems and methods for detecting biomolecules, such as nucleic acid molecules, or subunits thereof. Such detection may include sequencing. Biomolecules may be extracted from a biological sample obtained from a subject (eg, a human or other subject). In some embodiments, the subject may be a patient. In some embodiments, a target nucleic acid can be detected and/or sequenced for diagnostic, prognostic and/or therapeutic purposes. In some embodiments, information regarding sequencing assays may be useful to aid in the diagnosis, prognosis, and/or treatment of diseases or conditions. In some embodiments, a subject may be suspected of having a medical condition, such as a disease (eg, cancer). In some embodiments, the subject may be undergoing treatment for a disease.
いくつかの実施形態では、生物学的試料は、呼吸、唾液、尿、血液(例えば、全血または血漿)、便、または他の体液もしくは生検試料などの対象の体液または組織から抽出され得る。いくつかの例では、1つ以上の核酸分子が、対象の体液または組織から抽出される。この1つ以上の核酸は、対象の組織の一部のような、対象から得られた1つ以上の細胞から抽出されてもよいし、または対象の無細胞体液、例えば全血から得てもよい。 In some embodiments, a biological sample can be extracted from a subject's bodily fluids or tissues, such as breath, saliva, urine, blood (e.g., whole blood or plasma), stool, or other bodily fluids or biopsy samples. . In some examples, one or more nucleic acid molecules are extracted from a subject's bodily fluid or tissue. The one or more nucleic acids may be extracted from one or more cells obtained from the subject, such as a portion of the subject's tissue, or may be obtained from the subject's acellular body fluid, such as whole blood. good.
生物学的試料は、検出の準備(例えば、配列決定)において処理されてもよい。そのような処理は、生物学的試料からの生体分子(例えば、核酸分子)の単離および/または精製、ならびに生体分子のより多くのコピーの生成を含み得る。いくつかの例において、1つ以上の核酸分子は、対象の体液または組織から単離および精製され、ポリメラーゼ連鎖反応(PCR)のような核酸増幅によって増幅される。次いで、配列決定を通じるなどして、1つ以上の核酸分子またはそのサブユニットを同定してもよい。しかしながら、いくつかの実施形態では、増幅を必要とせずに、本出願に記載のように核酸試料を、評価(例えば、配列決定)してもよい。 A biological sample may be processed in preparation for detection (eg, sequencing). Such processing can include isolation and/or purification of biomolecules (eg, nucleic acid molecules) from a biological sample and generation of more copies of biomolecules. In some examples, one or more nucleic acid molecules are isolated and purified from a subject's bodily fluids or tissues and amplified by nucleic acid amplification such as the polymerase chain reaction (PCR). One or more nucleic acid molecules or subunits thereof may then be identified, such as through sequencing. However, in some embodiments, nucleic acid samples may be evaluated (eg, sequenced) as described in this application without the need for amplification.
この出願に記載されているように、配列決定には、鋳型生体分子(例えば、核酸分子)の個々のサブユニットの決定であって、その鋳型に対して相補的または類似の別の生体分子を合成することによる、例えば、鋳型核酸分子に相補的である核酸分子を合成すること、および時間とともにヌクレオチドの組み込みを同定すること(例えば、合成による配列決定)による、決定を包含し得る。代わりに、配列決定は、生体分子の個々のサブユニットの直接的な同定を含んでもよい。 As described in this application, sequencing involves the determination of individual subunits of a template biomolecule (e.g., a nucleic acid molecule) to identify another biomolecule complementary or similar to the template. Determination can involve synthesis, eg, by synthesizing a nucleic acid molecule that is complementary to the template nucleic acid molecule and identifying nucleotide incorporations over time (eg, sequencing by synthesis). Alternatively, sequencing may involve direct identification of individual subunits of biomolecules.
配列決定の間、生体分子の個々のサブユニットを示すシグナルは、生体分子の配列を決定するために、リアルタイムで、または後の時点で、メモリに収集され、処理されてもよい。そのような処理には、場合によっては読み取りを生じる、個々のサブユニットの同定を可能にする参照シグナルに対するシグナルの比較を含んでもよい。読み取りは、より大きな配列または領域を同定するために使用され得る、例えば、染色体またはゲノム領域もしくは遺伝子上の位置に整列され得る、十分な長さ(例えば、少なくとも約30、50、100塩基対(bp)またはそれ以上)の配列であってもよい。 During sequencing, signals indicative of individual subunits of a biomolecule may be collected in memory and processed in real-time or at a later time to determine the sequence of the biomolecule. Such processing may involve comparison of the signal to a reference signal allowing identification of individual subunits, optionally resulting in a readout. The reads are of sufficient length (e.g., at least about 30, 50, 100 base pairs (e.g., at least about 30, 50, 100 base pairs ( bp) or more).
配列読み取りを使用して、(例えば、アライメントによって)対象のゲノムのより長い領域を再構成してもよい。読み取りを使用して、染色体領域、染色体全体、またはゲノム全体を再構築してもよい。そのような読み取りから生成された配列の読み取りまたはより大きな配列を使用して、改変体または多型を同定するためなど、対象のゲノムを分析してもよい。改変体の例としては、限定するものではないが、一塩基多型(SNP)、例としては、タンデムSNP、小規模の多塩基の欠失または挿入(indelまたは欠失挿入多型(DIP)とも呼ばれる)、マルチヌクレオチド多型(MNP)、ショートタンデムリピート(STR)、微小欠損を含む欠失、挿入、例としては、マイクロインサーション、構造変化、例としては、重複、逆位、転座、増倍、複合多重部位改変体、コピー数変動(CNV)が挙げられる。ゲノム配列は、改変体の組合せを含んでもよい。例えば、ゲノム配列は、1つ以上のSNPと1つ以上のCNVとの組合せを包含し得る。 Sequence reads may be used to reconstruct (eg, by alignment) longer regions of the genome of interest. Reads may be used to reconstruct chromosomal regions, entire chromosomes, or entire genomes. Sequence reads or larger sequences generated from such reads may be used to analyze the subject's genome, such as to identify variants or polymorphisms. Examples of variants include, but are not limited to, single nucleotide polymorphisms (SNPs), including tandem SNPs, small multiple nucleotide deletions or insertions (indels or deletion insertion polymorphisms (DIP) multinucleotide polymorphisms (MNPs), short tandem repeats (STRs), deletions including microdeletions, insertions, e.g. microinsertions, structural alterations e.g. duplications, inversions, translocations , multiplication, compound multiple site variants, copy number variation (CNV). A genomic sequence may contain a combination of variants. For example, a genomic sequence can include a combination of one or more SNPs and one or more CNVs.
「ゲノム」という用語は、一般には、生物体の遺伝情報の全体を指す。ゲノムは、DNAにコードされても、またはRNAにコードされてもいずれでもよい。ゲノムは、タンパク質および非コード領域をコードするコード領域を含んでもよい。ゲノムは、生物体中にすべての染色体の配列を一緒に含んでもよい。例えば、ヒトゲノムは、全部で46の染色体を有する。これらの全ての配列は、ともにヒトゲノムを構成する。いくつかの実施形態では、ゲノム全体の配列が決定される。しかし、いくつかの実施形態では、ゲノムのサブセット(例えば、1つまたはいくつかの染色体またはその領域)または1つ以下の遺伝子(またはその断片)の配列情報では、診断の適用、予後診断の適用および/または治療の適用に十分である。 The term "genome" generally refers to the entire genetic information of an organism. The genome may be either DNA encoded or RNA encoded. A genome may include coding regions that encode proteins and non-coding regions. A genome may include the sequences of all chromosomes together in an organism. For example, the human genome has a total of 46 chromosomes. All these sequences together make up the human genome. In some embodiments, the entire genome is sequenced. However, in some embodiments, sequence information of a subset of the genome (e.g., one or several chromosomes or regions thereof) or one or less genes (or fragments thereof) may be used for diagnostic applications, prognostic applications and/or sufficient for therapeutic application.
複数の一本鎖標的核酸鋳型の核酸配列決定は、本明細書の他のいずれかに記載されているデバイスの場合のように、複数試料ウェル(例えば、ナノ開口部)が利用可能である場合に完了することができる。各試料ウェルは、一本鎖標的核酸鋳型を提供されてもよく、配列決定反応は、各試料ウェル内で完了され得る。プライマー伸長反応の間に、核酸合成に必要な適切な試薬(例えば、dNTP、配列決定プライマー、ポリメラーゼ、補因子、適切な緩衝液など)と、各々の試料ウェルとを接触させてもよく、配列決定反応を、それぞれ試料ウェル中で進行させてもよい。いくつかの実施形態では、複数の試料ウェルを、すべての適切なdNTPと同時に接触させる。他の実施形態では、複数の試料ウェルを、それぞれ適切なdNTPと別々に接触させ、それぞれ異なるdNTPとの接触の間に洗浄する。組み込まれたdNTPは、各試料ウェルで検出可能であり、本明細書の他のいずれかの箇所に記載されているように、各試料ウェル内の一本鎖標的核酸について決定された配列が検出され得る。 Nucleic acid sequencing of multiple single-stranded target nucleic acid templates, where multiple sample wells (e.g., nano-apertures) are available, such as in devices described elsewhere herein can be completed in Each sample well may be provided with a single-stranded target nucleic acid template and a sequencing reaction may be completed within each sample well. Appropriate reagents required for nucleic acid synthesis (e.g., dNTPs, sequencing primers, polymerases, cofactors, appropriate buffers, etc.) may be contacted with each sample well during the primer extension reaction, and the sequence Determining reactions may proceed in each sample well. In some embodiments, multiple sample wells are contacted with all appropriate dNTPs simultaneously. In other embodiments, multiple sample wells are separately contacted with the appropriate dNTP and washed between contact with each different dNTP. Incorporated dNTPs are detectable in each sample well, and sequences determined for single-stranded target nucleic acids in each sample well are detected, as described elsewhere herein. can be
いくつかの実施形態は、検体中の単一分子を検出することによる診断試験に向けられ得るが、本開示の単一分子検出能力を使用して、例えば、遺伝子の1つ以上の核酸セグメントのポリペプチド(例えば、タンパク質)配列決定または核酸(例えば、DNA、RNA)の配列決定を行ってもよいこともまた本発明者らによって理解された。 Although some embodiments can be directed to diagnostic testing by detecting single molecules in a specimen, the single molecule detection capabilities of the present disclosure can be used to detect, for example, one or more nucleic acid segments of a gene. It is also understood by the inventors that polypeptide (eg protein) sequencing or nucleic acid (eg DNA, RNA) sequencing may be performed.
いくつかの態様では、本明細書に記載の方法は、以下でより詳細に説明する1つ以上のデバイスまたは装置を使用して行ってもよい。
器具の概要
本発明者らは、単一分子または粒子の検出および定量を行うためのコンパクトな高速器具が、生体試料および/または化学試料の複雑な定量的測定を行うコストを削減し、生化学技術的発見の速度を急速に早め得ることをさらに認識し、理解している。さらに、容易に運搬できるコスト効果が高いデバイスは、先進国においてバイオアッセイが行われる方法を変え得るだけでなく、発展途上地域の人々がその健康および幸福を劇的に改善し得る基本的診断検査に初めてアクセスできるようにする可能性がある。例えば、本明細書に記載された実施形態は、家庭において個人により、または発展途上国の遠隔地の診療所において医師により使用され得る血液、尿および/または唾液の診断検査のために使用され得る。
In some aspects, the methods described herein may be performed using one or more devices or apparatuses described in more detail below.
Instrument Overview We believe that a compact, high-speed instrument for single molecule or particle detection and quantification will reduce the cost of performing complex quantitative measurements of biological and/or chemical samples, and reduce biochemical We further recognize and understand that the speed of technological discovery can be rapidly increased. Moreover, an easily transportable, cost-effective device could not only change the way bioassays are performed in developed countries, but also a basic diagnostic test that could dramatically improve the health and well-being of people in developing regions. for the first time. For example, the embodiments described herein can be used for blood, urine and/or saliva diagnostic tests that can be used by individuals at home or by physicians in remote clinics in developing countries. .
多数の画素(例えば、数百、数千、数万またはそれ以上)を有する画素化センサデバイスは、複数の個々の分子または粒子を並行して検出することを可能にする。分子は、例として、および限定するものではないが、タンパク質および/またはDNAであってもよい。さらに、1秒あたり100フレーム超でデータを取得することができる高速デバイスは、分析中の試料内に時間と共に生じる動的プロセスまたは変化の検出および分析を可能にする。 Pixelated sensor devices with a large number of pixels (eg, hundreds, thousands, tens of thousands or more) allow parallel detection of multiple individual molecules or particles. Molecules may be, by way of example and not limitation, proteins and/or DNA. Furthermore, high speed devices capable of acquiring data at over 100 frames per second enable the detection and analysis of dynamic processes or changes that occur over time within the sample under analysis.
本発明者らは、バイオアッセイ装置をよりコンパクトにすることを妨げている1つのハードルは、望ましくない検出事象をセンサにおいて引き起こす励起光をフィルタリングする必要性であったことを認識し、理解している。所望のシグナル光(発光)を透過し、励起光を十分にブロックするのに使用される光学フィルターは、分厚く、かさばり、高額で、光の入射角の変動に耐えられず、小型化の妨げとなる可能性がある。しかし、本発明者らは、パルス励起源の使用が、そのようなフィルタリングに対する必要性を低減し、またはいくつかの場合において、そのようなフィルターに対する必要性を完全に取り除き得ることを認識し、理解した。励起光パルスに対して光子が検出される時間を決定することができるセンサを使用することにより、シグナル光は、受信される光のスペクトルよりむしろ光子が受信される時間に基づき励起光から分離することができる。したがって、かさばる光学フィルターに対する必要性が低減し、および/またはいくつかの実施形態では取り除かれる。 The inventors have recognized and understood that one hurdle that has prevented bioassay devices from becoming more compact has been the need to filter excitation light that causes unwanted detection events at the sensor. there is Optical filters used to transmit the desired signal light (emission) and sufficiently block the excitation light are thick, bulky, expensive, cannot withstand variations in the angle of incidence of the light, and are a hindrance to miniaturization. may become. However, the inventors recognize that the use of a pulsed excitation source may reduce the need for such filtering, or in some cases eliminate the need for such filtering entirely; got it. By using a sensor that can determine the time at which a photon is detected for an excitation light pulse, the signal light is separated from the excitation light based on the time the photon is received rather than the spectrum of the received light. be able to. Thus, the need for bulky optical filters is reduced and/or eliminated in some embodiments.
本発明者らは、発光寿命測定が試料中に存在する分子を識別するのにも使用され得ることを認識し、理解している。光子が検出されるときを検出することができる光学センサは、多くの事象から集められた統計を用いて、励起光により励起されている分子の発光寿命を測定することができる。いくつかの実施形態では、発光寿命測定は、発光のスペクトル測定に加えてなされてもよい。あるいは、発光のスペクトル測定は、試料分子を識別する工程において完全に省略されてもよい。発光寿命測定は、パルス励起源を用いてなされてもよい。さらに、発光寿命測定は、センサを含む一体型デバイス、または光源が一体型デバイスから切り離されたシステム内にあるデバイスを用いてなされてもよい。 The inventors recognize and understand that luminescence lifetime measurements can also be used to identify molecules present in a sample. An optical sensor capable of detecting when a photon is detected can use statistics gathered from many events to measure the luminescence lifetime of a molecule being excited by the excitation light. In some embodiments, luminescence lifetime measurements may be made in addition to spectral measurements of luminescence. Alternatively, spectral measurement of emission may be omitted entirely in the step of identifying sample molecules. Luminescence lifetime measurements may be made using a pulsed excitation source. Additionally, luminescence lifetime measurements may be made using an integrated device that includes the sensor or a device in a system where the light source is separate from the integrated device.
本発明者らはまた、生体試料から放射される発光光を測定することができる単一の一体型デバイスに試料ウェル(例えば、ナノ開口部)およびセンサを統合することが、使い捨て生化学分析チップが形成され得るようにそのようなデバイスを作製するコストを低減することも認識し、理解している。ベース機器と連動する使い捨ての単回使用一体型デバイスは、試料分析のために高コストの生物学実験室を必要とする制約なしに世界中どこでも使用することができる。故に、以前は生体試料の定量的分析を行うことができなかった世界の地域に、自動生化学分析を持ち込むことができる。例えば、乳児のための血液検査は、血液試料を使い捨て一体型デバイスに入れ、分析のために使い捨て一体型デバイスを小型の携帯型ベース機器に入れ、ユーザによる即時検討のために結果をコンピュータにより処理して行うことができる。データは、データネットワークを通じて遠隔地に伝送して分析することもでき、および/またはその後の臨床分析のためにアーカイブに保管することもできる。 The inventors also found that the integration of sample wells (e.g., nano-apertures) and sensors into a single integrated device capable of measuring luminescent light emitted from a biological sample is a disposable biochemical analysis chip. It is also recognized and understood to reduce the cost of fabricating such a device so that a can be formed. A disposable, single-use integrated device that interfaces with a base instrument can be used anywhere in the world without the constraints of requiring high-cost biological laboratories for sample analysis. Thus, automated biochemical analysis can be brought to areas of the world where quantitative analysis of biological samples was previously not possible. For example, a blood test for infants places a blood sample into a disposable all-in-one device, places the disposable all-in-one device for analysis into a small portable base instrument, and processes the results by computer for immediate review by the user. can be done by The data can also be transmitted over a data network to a remote location for analysis and/or archived for subsequent clinical analysis.
本発明者らはまた、使い捨ての単回使用デバイスが、チップに光源を含まないことによってより簡単に、およびより低コストで作製され得ることも認識し、理解している。代わりに、光源は、使い捨てチップと連動して試料を分析するシステムに組み込まれた再利用可能なコンポーネントであってもよい。 The inventors also recognize and understand that disposable, single-use devices can be made easier and less expensive by not including a light source on the chip. Alternatively, the light source may be a reusable component integrated into a sample analysis system in conjunction with a disposable chip.
本発明者らはまた、試料が複数の異なるタイプの発光マーカーでタグ化される場合、発光マーカーの任意の適切な特性は、チップの特定の画素内に存在するマーカーのタイプを識別するのに使用され得ることも認識し、理解している。例えば、マーカーにより放射される発光の特性、および/または励起吸収の特性がマーカーを識別するのに使用されてもよい。いくつかの実施形態では、発光の放射エネルギー(光の波長と直接関係している)が、第1のタイプのマーカーと第2のタイプのマーカーとを区別するのに使用されてもよい。さらに、またはあるいは、発光寿命測定は特定の画素に存在するマーカーのタイプを識別するのにも使用され得る。いくつかの実施形態では、発光寿命測定は、寿命情報を得るのに十分な分解能により光子が検出される時間を区別することができるセンサを用いて、パルス励起源によりなされてもよい。さらに、またはあるいは、異なるタイプのマーカーにより吸収される励起光のエネルギーが、特定の画素に存在するマーカーのタイプを識別するのに使用されてもよい。例えば、第1のマーカーは第1の波長の光を吸収することができるが、第2の波長の光を同じように吸収することはできず、一方、第2のマーカーは第2の波長の光を吸収することができるが、第1の波長の光を同じように吸収することはできない。このように、各々が異なる励起エネルギーを有する1つを超える励起光源が、試料をインターリーブ方式で照射するのに使用され得る場合、マーカーの吸収エネルギーは、どのタイプのマーカーが試料中に存在するかを識別するのに使用することができる。異なるマーカーは、異なる発光強度も有し得る。したがって、発光の検出された強度は、特定の画素に存在するマーカーのタイプを識別するのにも使用することができる。 The inventors have also found that when a sample is tagged with multiple different types of luminescent markers, any suitable property of the luminescent markers can be used to identify the type of marker present within a particular pixel of the chip. I also recognize and understand that it can be used. For example, properties of the luminescence emitted by the marker and/or properties of the excitation absorption may be used to identify the marker. In some embodiments, the radiant energy of the emitted light (which is directly related to the wavelength of the light) may be used to distinguish between the first type of marker and the second type of marker. Additionally or alternatively, luminescence lifetime measurements can be used to identify the type of marker present at a particular pixel. In some embodiments, luminescence lifetime measurements may be made with a pulsed excitation source using a sensor capable of distinguishing times when photons are detected with sufficient resolution to obtain lifetime information. Additionally or alternatively, the energy of the excitation light absorbed by different types of markers may be used to identify the type of marker present at a particular pixel. For example, a first marker can absorb light of a first wavelength but not likewise absorb light of a second wavelength, while a second marker can absorb light of a second wavelength. It can absorb light, but it cannot absorb light of the first wavelength as well. Thus, if more than one excitation light source, each with a different excitation energy, can be used to illuminate the sample in an interleaved fashion, the absorbed energy of the markers will determine which types of markers are present in the sample. can be used to identify Different markers can also have different emission intensities. Therefore, the detected intensity of luminescence can also be used to identify the type of marker present at a particular pixel.
I.システムの概要
システムは、一体型デバイスおよび一体型デバイスと連動するように構成されている機器を含む。一体型デバイスは画素のアレイを含み、画素は試料ウェルおよび少なくとも1つのセンサを含む。一体型デバイスの表面は複数の試料ウェルを含み、試料ウェルは、一体型デバイスの表面に置かれた標本から試料を受け取るように構成される。標本は複数の試料を含有してもよく、いくつかの実施形態では、異なるタイプの試料を含有してもよい。複数の試料ウェルは、少なくとも一部の試料ウェルが1つの試料を標本から受け取るような適切なサイズおよび形状を有することができる。いくつかの実施形態では、試料ウェル内の試料の数は、いくつかの試料ウェルが1つの試料を含有し、他の試料がゼロ、2つ以上の試料を含有するように試料ウェル間で分配されてもよい。
I. System Overview A system includes an integrated device and equipment configured to interface with the integrated device. The integrated device includes an array of pixels, each pixel including a sample well and at least one sensor. A surface of the integrated device includes a plurality of sample wells, the sample wells configured to receive samples from specimens placed on the surface of the integrated device. A specimen may contain multiple samples, and in some embodiments may contain different types of samples. The multiple sample wells can have a suitable size and shape such that at least some sample wells receive one sample from the specimen. In some embodiments, the number of samples in the sample wells is distributed among the sample wells such that some sample wells contain one sample and others contain zero, two or more samples. may be
いくつかの実施形態では、標本は複数の一本鎖DNA鋳型を含有してもよく、一体型デバイスの表面の個々の試料ウェルは、一本鎖DNA鋳型を受け取るためのサイズおよび形状であってもよい。一本鎖DNA鋳型は、一体型デバイスの少なくとも一部の試料ウェルが一本鎖DNA鋳型を含有するように、一体型デバイスの試料ウェル間で分配されてもよい。標本は、タグ化dNTPも含有することができ、タグ化dNTPは次いで試料ウェルに入り、試料ウェル中の一本鎖DNA鋳型に相補的なDNAの鎖にヌクレオチドが組み込まれるとき、ヌクレオチドの同定を可能にすることができる。そのような例において「試料」は、一本鎖DNA、および現在ポリメラーゼにより組み込まれているタグ化dNTPの両方を指し得る。いくつかの実施形態では、標本は一本鎖DNA鋳型を含有してもよく、タグ化dNTPはその後、ヌクレオチドが試料ウェル内のDNAの相補鎖に組み込まれるときに試料ウェルに導入されてもよい。このようにして、ヌクレオチドの組み込みのタイミングは、タグ化dNTPがいつ一体型デバイスの試料ウェルに導入されるかにより制御することができる。 In some embodiments, the specimen may contain a plurality of single-stranded DNA templates, and individual sample wells on the surface of the integrated device are sized and shaped to receive the single-stranded DNA templates. good too. The single-stranded DNA template may be distributed among the sample wells of the integrated device such that at least some sample wells of the integrated device contain the single-stranded DNA template. The specimen can also contain tagged dNTPs, which then enter the sample well and allow identification of the nucleotides as they are incorporated into a strand of DNA complementary to the single-stranded DNA template in the sample well. can be made possible. "Sample" in such instances can refer to both single-stranded DNA and tagged dNTPs currently being incorporated by the polymerase. In some embodiments, the specimen may contain a single-stranded DNA template, and tagged dNTPs may then be introduced into the sample well as nucleotides are incorporated into the complementary strand of DNA within the sample well. . In this way, the timing of nucleotide incorporation can be controlled by when tagged dNTPs are introduced into the sample wells of the integrated device.
励起エネルギーは、一体型デバイスの画素アレイから切り離されて位置された励起源から提供される。励起エネルギーは、一体型デバイスの素子により、少なくとも一部は1つまたは複数の画素へと向けられて試料ウェル内の照射領域を照射する。マーカーまたはタグは次いで、照射領域内にある場合および励起エネルギーによる照射に応答して、放射エネルギーを放射し得る。いくつかの実施形態では、1つまたは複数の励起源は、機器のコンポーネントおよび一体型デバイスが、励起エネルギーを1つまたは複数の画素に向かわせるように構成されるシステムの機器の一部である。 Excitation energy is provided from an excitation source located separately from the pixel array of the integrated device. Excitation energy is directed, at least in part, by elements of the integrated device into one or more pixels to illuminate an illumination region within the sample well. The markers or tags can then emit radiant energy when within the illuminated area and in response to illumination by the excitation energy. In some embodiments, the one or more excitation sources are part of an instrument of a system in which the instrument components and integrated devices are configured to direct excitation energy to one or more pixels. .
試料により放射される放射エネルギーは、次いで一体型デバイスの一画素内の1つまたは複数のセンサにより検出することができる。検出された放射エネルギーの特性は、放射エネルギーと関連付けられたマーカーを識別するための指標を提供することができる。そのような特性は、センサにより検出される光子の到達時間、センサにより時間と共に蓄積される光子の量、および/または2個以上のセンサにわたる光子の分布を含む任意の適切なタイプの特性を含み得る。いくつかの実施形態では、センサは、試料の放射エネルギーと関連付けられた1つまたは複数のタイミング特性の検出を可能にする構成を有してもよい(例えば、蛍光寿命)。センサは、励起エネルギーのパルスが一体型デバイスを通って伝播した後の光子到達時間の分布を検出することができ、到達時間の分布は、試料の放射エネルギーのタイミング特性の指標を提供することができる(例えば、蛍光寿命の代理)。いくつかの実施形態では、1つまたは複数のセンサは、マーカーまたはタグにより放射される放射エネルギーの確率の指標を提供する(例えば、蛍光強度)。いくつかの実施形態では、複数のセンサは、放射エネルギーの空間分布をとらえるためのサイズおよび配列であってもよい。1つまたは複数のセンサからの出力シグナルは、次いで複数のマーカーの中から一マーカーを区別するのに使用され得、複数のマーカーが標本内の試料を識別するのに使用され得る。いくつかの実施形態では、いくつかの実施形態では、試料は複数の励起エネルギーにより励起されてもよく、複数の励起エネルギーに応答して試料により放射される放射エネルギーおよび/または放射エネルギーのタイミング特性は、複数のマーカーから一マーカーを区別することができる。 The radiant energy emitted by the sample can then be detected by one or more sensors within one pixel of the integrated device. A characteristic of the detected radiant energy can provide an indication for identifying markers associated with the radiant energy. Such properties include any suitable type of property, including the time of arrival of photons detected by the sensor, the amount of photons accumulated over time by the sensor, and/or the distribution of photons across two or more sensors. obtain. In some embodiments, the sensor may have a configuration that allows detection of one or more timing properties associated with the sample's radiant energy (eg, fluorescence lifetime). The sensor can detect the distribution of photon arrival times after a pulse of excitation energy has propagated through the integrated device, and the distribution of arrival times can provide an indication of the timing characteristics of the sample's radiant energy. (eg surrogate for fluorescence lifetime). In some embodiments, one or more sensors provide an indication of the probability of radiant energy emitted by a marker or tag (eg, fluorescence intensity). In some embodiments, the multiple sensors may be sized and arranged to capture the spatial distribution of radiant energy. Output signals from one or more sensors can then be used to distinguish one marker from among multiple markers, and multiple markers can be used to distinguish samples within a specimen. In some embodiments, the sample may be excited with multiple excitation energies, and the radiant energy emitted by the sample in response to the multiple excitation energies and/or the timing characteristics of the radiant energy can distinguish one marker from multiple markers.
システム23-100の概略図が図23Aおよび23Bに例示されている。システムは、機器23-104と連動する一体型デバイス23-102の両方を備える。いくつかの実施形態では、機器23-104は、機器23-104の一部として統合された1つまたは複数の励起源23-106を含んでもよい。いくつかの実施形態では、励起源は、機器23-104および一体型デバイス23-102の両方の外側にあってもよく、機器23-104が励起源から励起エネルギーを受信し、これを一体型デバイスに向かわせるように構成されてもよい。一体型デバイスは、一体型デバイスを受け止め、これを励起源との正確な光学アライメント状態に保つための任意の適切なソケットを用いて機器と連動することができる。励起源23-106は、励起エネルギーを一体型デバイス23-102に提供するように構成されてもよい。図23Bに概略的に例示されているように、一体型デバイス23-102は複数の画素を有し、画素23-112の少なくとも一部は試料の独立分析を行うことができる。そのような画素23-112は、画素が画素から切り離された源23-106から励起エネルギーを受信し、該源が複数の画素を励起するため、「受動源画素(passive source pixel)」と呼ばれ得る。画素23-112は、試料および、励起源23-106により提供される励起エネルギーによる試料の照射に応答して、試料により放射される放射エネルギーを検出するためのセンサ23-110を受け取るように構成されている試料ウェル23-108を有する。試料ウェル23-108は、一体型デバイス23-102の表面近くで試料を保持して励起エネルギーを試料に加えやすくし、試料からの放射エネルギーを検出しやすくすることができる。 A schematic diagram of system 23-100 is illustrated in FIGS. 23A and 23B. The system includes both an integrated device 23-102 that interfaces with equipment 23-104. In some embodiments, instrument 23-104 may include one or more excitation sources 23-106 integrated as part of instrument 23-104. In some embodiments, the excitation source may be external to both the equipment 23-104 and the integrated device 23-102, with the equipment 23-104 receiving excitation energy from the excitation source and integrating it It may be configured to point to a device. The integrated device can interface with the instrument using any suitable socket for receiving the integrated device and keeping it in precise optical alignment with the excitation source. Excitation source 23-106 may be configured to provide excitation energy to integrated device 23-102. As schematically illustrated in FIG. 23B, integrated device 23-102 has a plurality of pixels, and at least some of pixels 23-112 are capable of independent analysis of the sample. Such pixels 23-112 are referred to as "passive source pixels" because they receive excitation energy from a source 23-106 that is separate from the pixel, which excites multiple pixels. can be Pixels 23-112 are configured to receive a sample and a sensor 23-110 for detecting radiant energy emitted by the sample in response to illumination of the sample with excitation energy provided by excitation source 23-106. sample wells 23-108. The sample well 23-108 can hold the sample near the surface of the integrated device 23-102 to facilitate application of excitation energy to the sample and detection of radiant energy from the sample.
励起エネルギーを試料ウェル23-108に導き、カップリングするための光学的素子は、一体型デバイス23-102および機器23-104の両方にある。そのような源からウェルへ(source-to-well)素子は、励起エネルギーを一体型デバイスにカップリングするための、一体型デバイス23-102上にある1つまたは複数の格子カプラ、および機器23-104からの励起エネルギーを画素23-112の試料ウェルに加えるための導波路を備えてもよい。いくつかの実施形態では、一体型デバイス上にある素子は、放射エネルギーを試料ウェルからセンサへと向かわせるように働いてもよい。試料ウェル23-108は、励起源からウェルへ(excitation source-to-well)光学の一部であり、試料ウェルからセンサへ(sample well-to-sensor)光学は一体型デバイス23-102上にある。励起源23-106、および源からウェルへ(source-to-well)コンポーネントの一部は、機器23-104中にある。いくつかの実施形態では、単一コンポーネントが、励起エネルギーを試料ウェル23-108にカップリングする工程、および放射エネルギーを試料ウェル23-108からセンサ23-110に加える工程の両方において役割を果たしてもよい。励起エネルギーを試料ウェルにカップリングし、および/または放射エネルギーをセンサに向かわせるための、一体型デバイスに含める適切なコンポーネントの例は、「分子をプローブし、検出し、分析するための一体型デバイス(INTEGRATED DEVICE FOR PROBING,DETECTING AND ANALYZING MOLECULES)」と題された米国特許出願第14/821,688号明細書、および「分子をプローブし、検出し、分析するための外部光源を備える一体型デバイス(INTEGRATED DEVICE WITH EXTERNAL LIGHT SOURCE FOR PROBING,DETECTING,AND ANALYZING MOLECULES)」と題された米国特許出願第14/543,865号明細書に記載されており、これらはいずれもその全体が参照により援用される。 Optical elements for directing and coupling excitation energy to the sample well 23-108 are present in both the integrated device 23-102 and instrument 23-104. Such source-to-well elements include one or more grating couplers on the integrated device 23-102, and equipment 23 for coupling excitation energy to the integrated device. Waveguides may be provided for applying excitation energy from -104 to the sample wells of pixels 23-112. In some embodiments, elements on the integrated device may act to direct radiant energy from the sample well to the sensor. The sample well 23-108 is part of the excitation source-to-well optics and the sample well-to-sensor optics are on the integrated device 23-102. be. The excitation source 23-106 and some of the source-to-well components reside in the instrument 23-104. In some embodiments, a single component may play a role in both coupling excitation energy to sample well 23-108 and applying radiant energy from sample well 23-108 to sensor 23-110. good. Examples of suitable components for inclusion in an integrated device for coupling excitation energy to the sample well and/or directing radiant energy to the sensor include the "Integrated Device for Probing, Detecting and Analyzing Molecules". No. 14/821,688, entitled INTEGRATED DEVICE FOR PROBING, DETECTING AND ANALYZING MOLECULES, and "Integrated Device with External Light Source for Probing, Detecting, and Analyzing Molecules." No. 14/543,865 entitled INTEGRATED DEVICE WITH EXTERNAL LIGHT SOURCE FOR PROBING, DETECTING, AND ANALYZING MOLECULES, both of which are incorporated by reference in their entirety. be done.
図23Bに例示されているように、一体型デバイスは複数の画素を備え、画素23-112は、それ自体の個々の試料ウェル23-108および少なくとも1つのセンサ23-110と関連付けられている。複数の画素はアレイに配列されてもよく、アレイ中に任意の適切な画素数があってもよい。一体型デバイス23-102中の画素数は、約10,000画素~1,000,000画素の範囲、またはこの範囲内の任意の値もしくは値の範囲であってもよい。いくつかの実施形態では、画素は512画素×512画素のアレイに配列されてもよい。一体型デバイス23-102および機器23-104は、大きな画素アレイ(例えば、10,000画素を超える)と関連付けられたデータを扱うための多チャンネル高速通信リンクを含んでもよい。 As illustrated in FIG. 23B, the integrated device comprises a plurality of pixels, each pixel 23-112 being associated with its own individual sample well 23-108 and at least one sensor 23-110. A plurality of pixels may be arranged in an array, and there may be any suitable number of pixels in the array. The number of pixels in the integrated device 23-102 may range from approximately 10,000 pixels to 1,000,000 pixels, or any value or range of values within this range. In some embodiments, the pixels may be arranged in a 512 pixel by 512 pixel array. Integrated device 23-102 and instrument 23-104 may include multi-channel high-speed communication links for handling data associated with large pixel arrays (eg, greater than 10,000 pixels).
機器23-104は、一体型デバイスインタフェース23-114を通じて一体型デバイス23-102と連動する。一体型デバイスインタフェース23-114は、励起源23-106からの励起エネルギーの一体型デバイス23-102へのカップリングを改善するように、一体型デバイス23-102を機器23-104に対して配置および/または整列させるためのコンポーネントを含んでもよい。励起源23-106は、励起エネルギーを少なくとも1つの試料ウェルに加えるように配列された任意の適切な光源であってもよい。適切な励起源の例は、その全体が参照により援用される、「分子をプローブし、検出し、分析するための一体型デバイス(INTEGRATED DEVICE FOR
PROBING,DETECTING AND ANALYZING MOLECULES)」と題された米国特許出願第14/821688号明細書に記載されている。いくつかの実施形態では、励起源23-106は、励起エネルギーを一体型デバイス23-102に加えるように組み合わされた複数の励起源を含む。複数の励起源は、複数の励起エネルギーまたは波長を生成するように構成されてもよい。一体型デバイスインタフェース23-114は、一体型デバイス上にある画素中のセンサからの読み出しシグナルを受信することができる。一体型デバイスインタフェース23-114は、一体型デバイスを一体型デバイスインタフェース23-114に固定することにより一体型デバイスが機器に取り付くように設計されてもよい。
Appliance 23-104 interfaces with integrated device 23-102 through integrated device interface 23-114. The integrated device interface 23-114 positions the integrated device 23-102 relative to the instrument 23-104 to improve coupling of excitation energy from the excitation source 23-106 to the integrated device 23-102. and/or components for alignment. Excitation sources 23-106 may be any suitable light source arranged to apply excitation energy to at least one sample well. Examples of suitable excitation sources include the INTEGRATED DEVICE FOR MOLECULAR PROBING, DETECTION AND ANALYSIS, which is incorporated by reference in its entirety.
14/821,688 entitled PROBING, DETECTING AND ANALYZING MOLECULES. In some embodiments, excitation source 23-106 includes multiple excitation sources combined to apply excitation energy to integrated device 23-102. Multiple excitation sources may be configured to generate multiple excitation energies or wavelengths. The integrated device interface 23-114 can receive readout signals from sensors in pixels on the integrated device. The integrated device interface 23-114 may be designed so that the integrated device attaches to equipment by securing the integrated device to the integrated device interface 23-114.
機器23-104は、機器23-104の作動を制御するためのユーザインタフェース23-116を含む。ユーザインタフェース23-116は、機器の機能を制御するのに使用されるコマンドおよび/または設定など、ユーザが情報を機器に入力するのを可能にするように構成される。いくつかの実施形態では、ユーザインタフェース23-116は、ボタン、スイッチ、ダイヤル、および音声コマンド用のマイクロホンを含んでもよい。さらに、ユーザインタフェース23-116は、適切なアライメントおよび/または一体型デバイス上のセンサからの読み出しシグナルにより得られた情報などの、機器および/または一体型デバイスのパフォーマンスに関するフィードバックをユーザが受け取るのを可能にすることができる。いくつかの実施形態では、ユーザインタフェース23-116は、可聴フィードバックを提供するスピーカー、ならびに視覚的フィードバックを提供する表示灯および/または表示画面を用いてフィードバックを提供してもよい。いくつかの実施形態では、機器23-104は、計算デバイス23-120と接続するのに使用されるコンピュータインタフェース23-118を含む。任意の適切なコンピュータインタフェース23-118および計算デバイス23-120が使用され得る。例えば、コンピュータインタフェース23-118は、USBインタフェースまたはファイアワイヤインタフェースであってもよい。計算デバイス23-120は、ラップトップまたはデスクトップコンピュータなどの任意の汎用コンピュータであってもよい。コンピュータインタフェース23-118は、機器23-104と計算デバイス23-120との間の情報の通信を促進する。機器23-104を制御および/または構成するための入力情報は、機器のコンピュータインタフェース23-118に接続された計算デバイス23-120を通じて提供され得る。出力情報は、コンピュータインタフェース23-118を通じて計算デバイス23-120により受信され得る。そのような出力情報は、機器23-104および/または一体型デバイス23-112のパフォーマンスについてのフィードバック、ならびにセンサ23-110の読み出しシグナルからの情報を含み得る。機器23-104は、センサ23-110から受信されたデータを分析し、および/または制御シグナルを励起源23-106へ送信するための処理デバイス23-122も含むことができる。いくつかの実施形態では、処理デバイス23-122は、汎用プロセッサ、特別適応プロセッサ(例えば、1つもしくは複数のマイクロプロセッサもしくはマイクロコントローラコアなどの中央処理装置(CPU)、フィールドプログラマブルゲートアレイ(FPGA)、特定用途向け集積回路(application-specific integrated circuit)(ASIC)、カスタム集積回路、デジタルシグナルプロセッサ(DSP)、またはそれらの組合せ)を備えてもよい。いくつかの実施形態では、センサ23-110からのデータの処理は、処理デバイス23-122および外部計算デバイス23-120の両方により行われてもよい。他の実施形態では、計算デバイス23-120は省略されてもよく、センサ23-110からのデータの処理は、もっぱら処理デバイス23-122により行われてもよい。 Device 23-104 includes a user interface 23-116 for controlling operation of device 23-104. User interfaces 23-116 are configured to allow a user to enter information into the device, such as commands and/or settings used to control device functions. In some embodiments, user interface 23-116 may include buttons, switches, dials, and a microphone for voice commands. Additionally, the user interface 23-116 allows the user to receive feedback regarding the performance of the instrument and/or the integrated device, such as information obtained by proper alignment and/or readout signals from sensors on the integrated device. can be made possible. In some embodiments, user interfaces 23-116 may provide feedback using speakers to provide audible feedback and indicator lights and/or display screens to provide visual feedback. In some embodiments, the equipment 23-104 includes a computer interface 23-118 used to connect with the computing device 23-120. Any suitable computer interface 23-118 and computing device 23-120 may be used. For example, computer interface 23-118 may be a USB interface or a Firewire interface. Computing devices 23-120 may be any general purpose computer such as a laptop or desktop computer. Computer interface 23-118 facilitates communication of information between appliance 23-104 and computing device 23-120. Input information for controlling and/or configuring the instrument 23-104 may be provided through a computing device 23-120 connected to the instrument's computer interface 23-118. Output information may be received by computing device 23-120 through computer interface 23-118. Such output information may include feedback on the performance of instruments 23-104 and/or integrated devices 23-112, as well as information from readout signals of sensors 23-110. Instruments 23-104 may also include processing devices 23-122 for analyzing data received from sensors 23-110 and/or transmitting control signals to excitation sources 23-106. In some embodiments, the processing devices 23-122 are general purpose processors, specially adapted processors (e.g., central processing units (CPUs) such as one or more microprocessor or microcontroller cores, field programmable gate arrays (FPGA)). , an application-specific integrated circuit (ASIC), a custom integrated circuit, a digital signal processor (DSP), or combinations thereof). In some embodiments, processing of data from sensors 23-110 may be performed by both processing device 23-122 and external computing device 23-120. In other embodiments, computing device 23-120 may be omitted and processing of data from sensor 23-110 may be performed entirely by processing device 23-122.
画素の列を例示する一体型デバイス24-102の断面概略図が、図24Aに示されている。各画素24-112は、試料ウェル24-108およびセンサ24-110を含む。センサ24-110は、センサ24-110が試料ウェル24-112内の試料により放射される放射エネルギーを受信するように、試料ウェル24-112に対して整列および配置されてもよい。適切なセンサの例は、その全体が参照により援用される、「受信光子の時間的ビニングのための一体型デバイス(INTEGRATED DEVICE FOR TEMPORAL BINNING OF RECEIVED PHOTONS)」と題された米国特許出願第14/821,656号明細書に記載されている。 A cross-sectional schematic view of the integrated device 24-102 illustrating columns of pixels is shown in FIG. 24A. Each pixel 24-112 includes a sample well 24-108 and a sensor 24-110. The sensor 24-110 may be aligned and positioned with respect to the sample well 24-112 such that the sensor 24-110 receives radiant energy emitted by the sample within the sample well 24-112. Examples of suitable sensors can be found in U.S. patent application Ser. 821,656.
一体型デバイスにカップリングされた励起源は、一体型デバイス24-102の1つまたは複数の画素に励起エネルギーを提供することができる。図24Bは、励起エネルギー24-130(破線で示されている)を一体型デバイス24-102に提供するための、一体型デバイス24-102への励起源24-106のカップリングを例示する概略図である。図24Bは、励起エネルギー源24-106から画素24-112中の試料ウェル24-108に至る励起エネルギーの経路を例示する。一体型デバイスから離れて位置されたコンポーネントは、一体型デバイスに対して励起源24-106を配置および整列させるのに使用され得る。そのようなコンポーネントは、レンズ、ミラー、プリズム、開口部、減衰器、および/または光ファイバを含む光学コンポーネントを含むことができる。追加の機械的コンポーネントは、1つまたは複数のアライメントコンポーネントの制御を可能にするように機器に含まれてもよい。そのような機械的コンポーネントは、アクチュエータ、ステッパモータ、および/またはノブを含み得る。 An excitation source coupled to the integrated device can provide excitation energy to one or more pixels of the integrated device 24-102. FIG. 24B is a schematic illustrating coupling of an excitation source 24-106 to the integrated device 24-102 to provide excitation energy 24-130 (shown in dashed line) to the integrated device 24-102. It is a diagram. FIG. 24B illustrates the path of excitation energy from excitation energy source 24-106 to sample well 24-108 in pixel 24-112. A component located remotely from the integrated device can be used to position and align the excitation sources 24-106 with respect to the integrated device. Such components can include optical components including lenses, mirrors, prisms, apertures, attenuators, and/or optical fibers. Additional mechanical components may be included in the instrument to allow control of one or more alignment components. Such mechanical components may include actuators, stepper motors, and/or knobs.
一体型デバイスは、励起エネルギー24-130を一体型デバイス中の画素へと向かわせるコンポーネントを含む。各画素24-112内で励起エネルギーは、画素と関連付けられた試料ウェル24-108にカップリングされる。図24Bは、1列の画素中の各試料ウェルにカップリングしている励起エネルギーを例示するが、いくつかの実施形態では、励起エネルギーは、1列の画素の全てにカップリングしなくてもよい。いくつかの実施形態では、励起エネルギーは、一体型デバイスの画素の一部または1列の画素中の試料ウェルにカップリングしてもよい。励起エネルギーは、試料ウェル内にある試料を照射することができる。試料は、励起エネルギーによる照射に応答して励起状態に達することができる。試料が励起状態にあるとき、試料は放射エネルギーを放射し得、放射エネルギーはセンサにより検出され得る。図24Bは、画素24-112の試料ウェル24-108からセンサ24-110に至る放射エネルギー24-140の経路(実線として示されている)を概略的に例示する。画素24-112中のセンサ24-110は、試料ウェル24-108からの放射エネルギーを検出するように構成および配置され得る。いくつかの実施形態では、センサ24-110は複数のサブセンサを含んでもよい。 The integrated device includes components that direct excitation energy 24-130 to pixels in the integrated device. Within each pixel 24-112 excitation energy is coupled to the sample well 24-108 associated with the pixel. Although FIG. 24B illustrates excitation energy coupling to each sample well in a row of pixels, in some embodiments excitation energy may not be coupled to all of the pixels in a row. good. In some embodiments, excitation energy may be coupled to sample wells in a portion of pixels or a row of pixels of an integrated device. Excitation energy can illuminate a sample located within the sample well. A sample can reach an excited state in response to irradiation with excitation energy. When the sample is in an excited state, the sample can emit radiant energy, which can be detected by the sensor. FIG. 24B schematically illustrates the path (shown as a solid line) of radiant energy 24-140 from sample well 24-108 of pixel 24-112 to sensor 24-110. Sensors 24-110 in pixels 24-112 may be constructed and arranged to detect radiant energy from sample wells 24-108. In some embodiments, sensor 24-110 may include multiple sub-sensors.
分析される試料は、画素24-112の試料ウェル24-108に導入され得る。試料は、生体試料、または化学試料などの任意の他の適切な試料であってもよい。試料は複数の分子を含む場合があり、試料ウェルは単一分子を単離するように構成され得る。いくつかの例において、試料ウェルの寸法は、単一分子を試料ウェル内に限局する役割を果たし、単一分子について測定が行われるようにすることができる。励起源24-106は、試料が試料ウェル24-108内の照射エリア内にある間、試料を、または試料に付着されたもしくはさもなければ試料と関連付けられた少なくとも1つの発光マーカーを励起するために、励起エネルギーを試料ウェル24-108に加えるように構成されてもよい。 A sample to be analyzed can be introduced into sample well 24-108 of pixel 24-112. The sample may be a biological sample or any other suitable sample such as a chemical sample. A sample may contain multiple molecules, and a sample well may be configured to isolate a single molecule. In some examples, the dimensions of the sample well can serve to confine a single molecule within the sample well, allowing measurements to be made on a single molecule. The excitation source 24-106 is for exciting the sample or at least one luminescent marker attached to or otherwise associated with the sample while the sample is within the illuminated area in the sample well 24-108. Additionally, it may be configured to apply excitation energy to the sample well 24-108.
励起源が励起エネルギーを試料ウェルに加えるとき、ウェル内の少なくとも1つの試料は発光し得、生じた放射はセンサにより検出され得る。本明細書で使用されるとき、句「試料は発光し得る」または「試料は放射線を放射し得る」または「試料からの放射」は、発光タグ、マーカー、またはレポーター、試料自体、もしくは試料と関連付けられた反応産物が、放射放射線を生成し得ることを意味する。 At least one sample in the well may emit light when the excitation source applies excitation energy to the sample well, and the resulting emission may be detected by the sensor. As used herein, the phrases "the sample can emit light" or "the sample can emit radiation" or "emission from the sample" refer to a luminescent tag, marker, or reporter, the sample itself, or the sample. It means that the associated reaction product can produce radiation.
一体型デバイスの1つまたは複数のコンポーネントは、放射エネルギーをセンサへと向かわせることができる。放射エネルギーはセンサにより検出され得、少なくとも1つの電気信号へと変換され得る。電気信号は、図23Bに示された機器23-104の一体型デバイスインタフェース23-114などの一体型デバイスインタフェースを通じて機器に接続された一体型デバイスの回路中の伝導ラインに沿って送信され得る。電気信号は、その後、処理および/または分析され得る。電気信号の処理または分析は、機器23-104上にある、または図23Bに示された計算デバイス23-120などの機器から離れている適切な計算デバイスで生じ得る。 One or more components of the integrated device can direct radiant energy to the sensor. The radiant energy can be detected by the sensor and converted into at least one electrical signal. Electrical signals may be transmitted along conductive lines in circuits of an integrated device connected to an instrument through an integrated device interface, such as integrated device interface 23-114 of instrument 23-104 shown in FIG. 23B. The electrical signal can then be processed and/or analyzed. Processing or analysis of the electrical signals may occur on the instrument 23-104 or in a suitable computing device remote from the instrument, such as the computing device 23-120 shown in FIG. 23B.
励起源を用いてウェル内の試料を励起すること、およびセンサで試料放射からシグナルを検出することにより、作動中、試料ウェル内の試料の平行分析が実施される。試料からの放射エネルギーは、対応するセンサにより検出され、少なくとも1つの電気信号へと変換され得る。生じたシグナルは、いくつかの実施形態では一体型デバイス上で処理され、または処理デバイスおよび/もしくは計算デバイスによる処理のために機器へ送信され得る。試料ウェルからのシグナルは、他の画素と関連付けられたシグナルから独立して受信および処理され得る。 Parallel analysis of the sample in the sample well is performed during operation by exciting the sample in the well with an excitation source and detecting a signal from the sample emission with the sensor. Radiant energy from the sample can be detected by a corresponding sensor and converted into at least one electrical signal. The resulting signal may be processed on an integrated device in some embodiments or transmitted to an instrument for processing by a processing device and/or computing device. Signals from sample wells can be received and processed independently of signals associated with other pixels.
いくつかの実施形態では、試料は1つまたは複数のマーカーで標識されてもよく、マーカーと関連付けられた放射は機器により判別可能である。例えばセンサは、放射エネルギーからの光子を電子へと変換して、特定のマーカーからの放射エネルギーに依存する寿命を判別するのに使用され得る電気信号を形成するように構成されてもよい。寿命が異なるマーカーを使用して試料を標識することにより、特定の試料は、センサにより検出される生じた電気信号に基づき識別され得る。 In some embodiments, the sample may be labeled with one or more markers, and the emissions associated with the markers are distinguishable by the instrument. For example, the sensor may be configured to convert photons from the radiant energy into electrons to form an electrical signal that can be used to determine the lifetime dependent radiant energy from a particular marker. By labeling samples using markers with different lifetimes, specific samples can be identified based on the resulting electrical signal detected by the sensor.
試料は複数のタイプの分子を含有する場合があり、異なる発光マーカーは、分子タイプと一意に関連付けることができる。励起中または励起後、発光マーカーは放射エネルギーを放射することができる。放射エネルギーの1つまたは複数の特質は、試料中の1つまたは複数のタイプの分子を識別するのに使用され得る。分子のタイプ間で区別するのに使用される放射エネルギーの特質は、蛍光寿命値、強度、および/または放射波長を含み得る。センサは、放射エネルギーの光子を含む光子を検出し、1つまたは複数のこれらの特質を示す電気信号を提供することができる。いくつかの実施形態では、センサからの電気信号は、1つまたは複数の時間間隔にわたる光子到達時間の分布について情報を提供することができる。光子到達時間の分布は、励起エネルギーのパルスが励起源により放射された後、光子が検出されるときに対応し得る。時間間隔の値は、時間間隔中に検出された光子の数に対応し得る。複数の時間間隔にわたる相対値は、放射エネルギーの時間特性(例えば、寿命)の指標を提供することができる。試料の分析は、分布内の2つ以上の異なる時間間隔の値を比較することによるマーカー間での区別を含んでもよい。いくつかの実施形態では、強度の指標は、分布中の全ての時間ビンにわたる光子の数を決定することにより提供され得る。 A sample may contain multiple types of molecules, and different luminescent markers can be uniquely associated with a molecule type. During or after excitation, a luminescent marker can emit radiant energy. One or more characteristics of the radiant energy can be used to identify one or more types of molecules in the sample. Radiant energy attributes used to distinguish between types of molecules may include fluorescence lifetime values, intensities, and/or emission wavelengths. A sensor can detect photons, including photons of radiant energy, and provide an electrical signal indicative of one or more of these characteristics. In some embodiments, the electrical signal from the sensor can provide information about the distribution of photon arrival times over one or more time intervals. The distribution of photon arrival times may correspond to when photons are detected after a pulse of excitation energy is emitted by the excitation source. The time interval value may correspond to the number of photons detected during the time interval. Relative values over multiple time intervals can provide an indication of the time characteristics (eg, lifetime) of the radiant energy. Analysis of the sample may include distinguishing between markers by comparing values at two or more different time intervals within the distribution. In some embodiments, an indication of intensity can be provided by determining the number of photons across all time bins in the distribution.
II.一体型デバイス
一体型デバイスは、外部励起エネルギー源から励起エネルギーを受信するように構成されてもよい。いくつかの実施形態では、デバイスの領域は、一体型デバイスから離れて位置された励起エネルギー源にカップリングするのに使用されてもよい。一体型デバイスのコンポーネントは、励起エネルギーを励起源カップリング領域から少なくとも1つの画素へ導くことができる。いくつかの実施形態では、少なくとも1つの導波路は、試料ウェルを有する少なくとも1つの画素へ励起エネルギーを加えるように構成されてもよい。試料ウェル内にある試料は、励起エネルギーによる照射に応答して放射エネルギーを放射することができる。画素内にある1つまたは複数のセンサは、放射エネルギーを受信するように構成される。
II. Integrated Device An integrated device may be configured to receive excitation energy from an external excitation energy source. In some embodiments, regions of the device may be used to couple to excitation energy sources located remotely from the integrated device. A component of the integrated device can direct excitation energy from the excitation source coupling region to at least one pixel. In some embodiments, at least one waveguide may be configured to apply excitation energy to at least one pixel having a sample well. A sample within the sample well can emit radiant energy in response to irradiation by the excitation energy. One or more sensors within the pixels are configured to receive the radiant energy.
図25に示されたいくつかの実施形態による一体型デバイス25-200のコンポーネントおよび/または層は、1つのデバイスに統合された試料ウェル25-203、導波路25-220、およびセンサ25-275を含む。試料ウェル25-203は、一体型デバイス25-200の試料ウェル層25-201に形成されてもよい。いくつかの実施形態では、試料ウェル層25-201は金属であってもよい。試料ウェル25-203は、試料ウェルの断面寸法を示し得る寸法Dtvを有してもよい。試料ウェル25-203はナノ開口部の機能を果たしてもよく、試料ウェル25-203中の試料の励起強度を高める場の増強効果をもたらす1つまたは複数のサブ波長寸法を有してもよい。導波路25-220は、デバイス25-200から離れて位置された励起源25-230から、励起エネルギーを試料ウェル25-203へ加えるように構成される。導波路25-220は、試料ウェル層25-201とセンサ25-275との間の層に形成されてもよい。一体型デバイス25-200の設計は、試料ウェル25-203中の試料から放射された発光をセンサ25-275が収集できるようにする。少なくとも時々、試料は励起エネルギーを吸収し、放射エネルギーまたは発光と呼ばれる励起エネルギーより少ないエネルギーを有する光子を放射する。 Components and/or layers of integrated device 25-200 according to some embodiments shown in FIG. including. A sample well 25-203 may be formed in the sample well layer 25-201 of the integrated device 25-200. In some embodiments, sample well layers 25-201 may be metal. The sample wells 25-203 may have a dimension D tv that may indicate the cross-sectional dimension of the sample well. The sample wells 25-203 may act as nano-apertures and may have one or more sub-wavelength dimensions that provide a field enhancement effect that enhances the excitation intensity of the sample in the sample wells 25-203. Waveguide 25-220 is configured to apply excitation energy to sample well 25-203 from an excitation source 25-230 located remotely from device 25-200. A waveguide 25-220 may be formed in a layer between the sample well layer 25-201 and the sensor 25-275. The design of integrated device 25-200 allows sensor 25-275 to collect emitted light from the sample in sample well 25-203. At least sometimes, the sample absorbs the excitation energy and emits photons having less energy than the excitation energy, called radiant energy or luminescence.
一体型デバイス25-200に試料ウェル25-203およびセンサ25-275を有することは、光が試料ウェル25-203からセンサ25-215まで移動する光学距離を低減し得る。一体型デバイス25-200またはデバイス内のコンポーネントの寸法は、特定の光学距離に対して構成されてもよい。デバイスのコンポーネントおよび/または1つもしくは複数の層の材料の光学的特質は、試料ウェルとセンサとの間の光学距離を決定することができる。いくつかの実施形態では、1つまたは複数の層の厚さは、画素中の試料ウェルとセンサとの間の光学距離を決定することができる。さらにまたはあるいは、一体型デバイス25-200の1つまたは複数の層を形成する材料の屈折率は、画素中の試料ウェル25-203とセンサ25-275との間の光学距離を決定することができる。画素中の試料ウェルとセンサとの間のそのような光学距離は、1mm未満、100μm(ミクロン)未満、25ミクロン未満、および/または10ミクロン未満であってもよい。導波路25-220から試料ウェル25-203への励起エネルギーのカップリングを改善するために、1つまたは複数の層が試料ウェル層25-201と導波路層25-220との間に存在してもよい。図25に示された一体型デバイス25-200は、単層25-210のみを例示しているが、複数の層が試料ウェル25-203と導波路25-220との間に形成されてもよい。層25-210は、導波路25-220から試料ウェル25-203への励起エネルギーのカップリングを改善する光学的特質を備えて形成されてもよい。層25-210は、励起エネルギーの散乱および/もしくは吸収を低減し、ならびに/または試料ウェル25-203中の試料からの発光を増大させるように構成されてもよい。層25-210は、いくつかの実施形態によれば、光がほとんど減衰することなく試料ウェル25-203へおよび試料ウェル25-203から移動し得るように光学的に透明であってもよい。いくつかの実施形態では、層25-210を形成するのに誘電材料が使用されてもよい。いくつかの実施形態では、層25-210内および/または層25-210と試料ウェル層25-201との間のインタフェースにおける励起エネルギーカップリングコンポーネントが、導波路25-220から試料ウェル25-203への励起エネルギーのカップリングを改善するために提供されてもよい。一例として、試料ウェル層25-201と層25-210との間のインタフェースに形成されるエネルギー収集コンポーネント25-215は、導波路25-220から試料ウェル25-203への励起エネルギーのカップリングを改善するように構成されてもよい。エネルギー収集コンポーネント25-215は任意選択であり、いくつかの実施形態では、導波路25-220および試料ウェル25-203の構成は、励起エネルギー収集コンポーネント25-215の存在なしに励起エネルギーの適切なカップリングを可能にすることができる。 Having sample well 25-203 and sensor 25-275 in integrated device 25-200 can reduce the optical distance that light travels from sample well 25-203 to sensor 25-215. The dimensions of the integrated device 25-200 or components within the device may be configured for a particular optical distance. Optical properties of the components of the device and/or the material of one or more layers can determine the optical distance between the sample well and the sensor. In some embodiments, the thickness of one or more layers can determine the optical distance between the sample well and the sensor in the pixel. Additionally or alternatively, the refractive index of the materials forming one or more layers of integrated device 25-200 can determine the optical distance between sample well 25-203 and sensor 25-275 in a pixel. can. Such optical distance between sample well and sensor in a pixel may be less than 1 mm, less than 100 μm (microns), less than 25 microns, and/or less than 10 microns. One or more layers are present between the sample well layer 25-201 and the waveguide layer 25-220 to improve the coupling of excitation energy from the waveguide 25-220 to the sample well 25-203. may Although the integrated device 25-200 shown in FIG. 25 illustrates only a single layer 25-210, multiple layers may be formed between the sample well 25-203 and the waveguide 25-220. good. Layers 25-210 may be formed with optical properties that improve the coupling of excitation energy from waveguides 25-220 to sample wells 25-203. Layers 25-210 may be configured to reduce scattering and/or absorption of excitation energy and/or increase emission from samples in sample wells 25-203. Layers 25-210 may, according to some embodiments, be optically transparent so that light may travel to and from sample wells 25-203 with little attenuation. In some embodiments, dielectric materials may be used to form layers 25-210. In some embodiments, the excitation energy coupling component in layer 25-210 and/or at the interface between layer 25-210 and sample well layer 25-201 is coupled from waveguide 25-220 to sample well 25-203. may be provided to improve the coupling of the excitation energy to the As an example, the energy collection component 25-215 formed at the interface between the sample well layer 25-201 and the layer 25-210 directs the coupling of excitation energy from the waveguide 25-220 to the sample well 25-203. may be configured to improve The energy collection components 25-215 are optional, and in some embodiments, the configuration of the waveguides 25-220 and sample wells 25-203 can provide adequate excitation energy without the presence of the excitation energy collection components 25-215. coupling can be made possible.
試料ウェル25-203中の試料から放射される発光光またはエネルギーは、様々な方法でセンサ25-275に送信され得、そのいくつかの例が以下に詳細に記載される。いくつかの実施形態は、特定の波長の光が、この特定の波長の光を検出することに特化されたセンサ25-275のエリアまたは部分へ向けられる可能性を増大させるための光学コンポーネントを使用してもよい。センサ25-275は、異なる発光マーカーからの放射に対応し得る異なる波長の光を同時に検出するための複数の部分を含んでもよい。 Luminescent light or energy emitted from samples in sample wells 25-203 can be transmitted to sensors 25-275 in a variety of ways, some examples of which are described in detail below. Some embodiments include optical components to increase the likelihood that light of a particular wavelength will be directed to an area or portion of sensor 25-275 dedicated to detecting light of this particular wavelength. may be used. Sensors 25-275 may include multiple portions for simultaneously detecting different wavelengths of light that may correspond to emissions from different luminescent markers.
試料ウェル25-203からセンサ25-275までの発光の収集を改善するように構成され得る1つまたは複数の層が、試料ウェル25-203とセンサ25-275との間に存在してもよい。発光誘導コンポーネントは、試料ウェル層25-201と層25-210との間のインタフェースにあってもよい。エネルギー収集コンポーネント25-215は、センサ25-275への放射エネルギーに集中してもよく、さらにまたはあるいは、異なる特性のエネルギーまたは波長を有する放射エネルギーを空間的に分離してもよい。そのようなエネルギー収集コンポーネント25-215は、発光をセンサ25-275へと向かわせるための格子構造を含み得る。いくつかの実施形態では、格子構造は、一連の同心円リング、すなわち「ブルズアイ」の格子構造構成であってもよい。同心円状格子は、試料ウェル層25-201の底面から突き出てもよい。円形格子は、シグナル光の拡散を減少させシグナル光を関連センサ25-275へと向かわせるのに使用され得るプラズモン素子の機能を果たすことができる。そのようなブルズアイ格子は、発光をより効率的にセンサ25-275へと向かわせることができる。 There may be one or more layers between sample well 25-203 and sensor 25-275 that may be configured to improve the collection of emissions from sample well 25-203 to sensor 25-275. . A luminescence directing component may be at the interface between sample well layer 25-201 and layer 25-210. The energy collection components 25-215 may focus the radiant energy onto the sensors 25-275 and may also or alternatively spatially separate radiant energies having different characteristic energies or wavelengths. Such energy collection components 25-215 may include grating structures for directing emitted light to sensors 25-275. In some embodiments, the lattice structure may be a series of concentric rings or "bull's eye" lattice structure configurations. A concentric grid may protrude from the bottom surface of the sample well layer 25-201. A circular grating can act as a plasmonic element that can be used to reduce the spread of signal light and direct the signal light to the associated sensor 25-275. Such a bull's eye grating can direct emitted light to the sensors 25-275 more efficiently.
層25-225は、導波路に隣接して形成され得る。層25-225の光学的特質は、試料ウェルからセンサ25-275までの発光の収集を改善するように選択され得る。いくつかの実施形態では、層25-225は誘電材料であってもよい。バッフルが試料ウェル層25-201とセンサ25-275との間に形成されてもよい。バッフル25-240は、センサ25-275が試料ウェル25-203に対応する発光を受信し、他の試料ウェルからの発光および反射/散乱励起を低減するように構成されてもよい。フィルタリング素子25-260は、センサ25-275に到達する励起エネルギーを低減するように配置および構成されてもよい。いくつかの実施形態では、フィルタリング素子25-260は、試料を標識するのに使用される1つまたは複数のマーカーの放射エネルギーを選択的に送信するフィルターを含んでもよい。各試料ウェルが対応するセンサを有する、試料ウェルのアレイおよびセンサのアレイを用いた実施形態では、各試料ウェルに対応するバッフルは、試料ウェルに対応するセンサにより収集される他の試料ウェルからの発光、ならびに反射および/または散乱励起光を低減するように形成され得る。 Layers 25-225 may be formed adjacent to the waveguide. The optical properties of layers 25-225 may be selected to improve collection of emitted light from the sample wells to sensors 25-275. In some embodiments, layers 25-225 may be dielectric materials. A baffle may be formed between the sample well layer 25-201 and the sensor 25-275. Baffles 25-240 may be configured so that sensors 25-275 receive emission corresponding to sample wells 25-203 and reduce emission and reflected/scattered excitation from other sample wells. Filtering elements 25-260 may be arranged and configured to reduce the excitation energy reaching sensors 25-275. In some embodiments, filtering elements 25-260 may include filters that selectively transmit radiant energy of one or more markers used to label the sample. In embodiments with arrays of sample wells and arrays of sensors, where each sample well has a corresponding sensor, the baffle corresponding to each sample well receives from other sample wells collected by the sensor corresponding to the sample well. It can be configured to reduce luminescence and reflected and/or scattered excitation light.
センサへの励起エネルギーの送信を低減するように、1つまたは複数の層が、導波路25-220とセンサ25-275との間に形成されてもよい。いくつかの実施形態では、フィルタリング素子が、導波路25-220とセンサ25-275との間に形成されてもよい。そのようなフィルタリング素子は、センサ25-275への励起エネルギーの送信を低減し、一方で試料ウェルからの発光がセンサ25-275により収集されるようにするために構成されてもよい。 One or more layers may be formed between the waveguides 25-220 and the sensors 25-275 to reduce the transmission of excitation energy to the sensors. In some embodiments, filtering elements may be formed between waveguides 25-220 and sensors 25-275. Such filtering elements may be configured to reduce the transmission of excitation energy to sensors 25-275 while allowing emissions from sample wells to be collected by sensors 25-275.
放射エネルギーは、センサ25-275により検出され、少なくとも1つの電気信号に変換され得る。電気信号は、その後のシグナル処理のため、1つまたは複数の列または行伝導ライン(不図示)に沿って基板25-200上の統合電子回路へ送信され得る。 The radiant energy may be detected by sensors 25-275 and converted into at least one electrical signal. The electrical signals may be transmitted along one or more column or row conductive lines (not shown) to integrated electronics on substrate 25-200 for subsequent signal processing.
図25の上記の記載は、いくつかの実施形態による器具のいくつかのコンポーネントの概要である。いくつかの実施形態では、図25の1つまたは複数の素子はなくてもよく、または異なる位置にあってもよい。一体型デバイス25-200のコンポーネントおよび励起源25-230は、以下により詳細に記載される。 The above description of FIG. 25 is an overview of some components of instruments according to some embodiments. In some embodiments, one or more elements of FIG. 25 may be absent or in different locations. The components of integrated device 25-200 and excitation sources 25-230 are described in more detail below.
A.励起源カップリング領域
一体型デバイスは、外部励起エネルギー源とカップリングし、一体型デバイスの画素エリア中の少なくとも1つの画素へと励起を導くように構成されている励起源カップリング領域を有することができる。励起源カップリング領域は、光を少なくとも1つの導波路にカップリングするように構成されている1つまたは複数の構造を含むことができる。励起エネルギーを導波路にカップリングするための任意の適切なメカニズムが使用され得る。
A. Excitation Source Coupling Region The integrated device has an excitation source coupling region configured to couple with an external excitation energy source and direct excitation to at least one pixel in the pixel area of the integrated device. can be done. The excitation source coupling region can include one or more structures configured to couple light into at least one waveguide. Any suitable mechanism for coupling excitation energy into the waveguide may be used.
一体型デバイスの励起源カップリング領域は、外部励起源とカップリングするように構成されている構造コンポーネントを含んでもよい。一体型デバイスは、一体型デバイスの表面に近接して配置された外部励起源とカップリングし、一体型デバイスの少なくとも1つの導波路へと光を導くように構成されている格子カプラを含んでもよい。サイズ、形状、および/または格子構成などの格子カプラの特徴は、励起源からの励起エネルギーの導波路へのカップリングを改善するように形成され得る。格子カプラは、構造コンポーネント間の間隔が光を伝播するように働き得る1つまたは複数の構造コンポーネントを含むことができる。格子カプラの1つまたは複数の寸法は、特定の特徴的な波長を有する光の望ましいカップリングを提供することができる。 An excitation source coupling region of an integrated device may include structural components configured to couple with an external excitation source. The integrated device may include a grating coupler configured to couple with an external excitation source located proximate to a surface of the integrated device and direct light into at least one waveguide of the integrated device. good. Grating coupler features such as size, shape, and/or grating configuration can be configured to improve coupling of excitation energy from the excitation source into the waveguide. A grating coupler can include one or more structural components in which the spacing between the structural components can serve to propagate light. One or more dimensions of the grating coupler can provide the desired coupling of light having certain characteristic wavelengths.
一体型デバイスは、導波路の一端にテーパー領域を有する導波路も含むことができる。導波路における光伝播の方向に対して垂直な導波路の1つまたは複数の寸法は、導波路の一端でより大きく、導波路のテーパー領域を形成してもよい。いくつかの実施形態では、導波路のテーパー領域は、導波路の一端でより大きく、および導波路の長さに沿ってより小さくなる、光の伝播に対して垂直なおよび一体型デバイスの表面に対して平行な寸法を有してもよい。格子カプラを含む実施形態では、テーパー領域は、テーパー領域のより大きな末端が格子カプラの最も近くに位置するように、格子カプラに近接して配置され得る。テーパー領域は、導波路の1つまたは複数の寸法を拡大して、導波路と格子カプラとのモード重複の改善を可能にすることにより、格子カプラと導波路との間の光のカップリングを改善するためのサイズおよび形状であってもよい。このようにして、一体型デバイスの表面に近接して配置された励起源は、格子カプラを介して光を導波路にカップリングすることができる。格子カプラおよび導波路テーパーのそのような組合せは、一体型デバイスに対する励起源のアライメントおよび位置決めにおいてより多くの公差を可能にし得る。 An integrated device can also include a waveguide having a tapered region at one end of the waveguide. A dimension or dimensions of the waveguide perpendicular to the direction of light propagation in the waveguide may be greater at one end of the waveguide, forming a tapered region of the waveguide. In some embodiments, the tapered region of the waveguide is perpendicular to the propagation of light and on the surface of the integrated device, larger at one end of the waveguide and smaller along the length of the waveguide. It may have a dimension parallel to it. In embodiments that include a grating coupler, the tapered region may be positioned proximate the grating coupler such that the larger end of the tapered region is located closest to the grating coupler. The tapered region enhances the coupling of light between the grating coupler and the waveguide by enlarging one or more dimensions of the waveguide to allow for improved mode overlap between the waveguide and the grating coupler. It may be of size and shape for improvement. In this way, an excitation source located close to the surface of the integrated device can couple light into the waveguide through the grating coupler. Such a combination of grating coupler and waveguide taper may allow more tolerance in the alignment and positioning of the excitation source with respect to the integrated device.
格子カプラは、一体型デバイスの画素の外部の一体型デバイスの領域内に配置されてもよい。一体型デバイスの表面において、画素の試料ウェルは、励起源カップリング領域から離れた表面の領域を占めてもよい。励起源カップリング領域の表面に近接して配置された励起源は、格子カプラとカップリングすることができる。試料ウェルは、画素のパフォーマンスに対する励起源からの光の干渉を低減するために、励起源カップリング領域から離れて配置されてもよい。一体型デバイスの格子カプラは、導波路を含む一体型デバイスの1つまたは複数の層内に形成されてもよい。このようにして、一体型デバイスの励起源カップリング領域は、一体型デバイスの、導波路と同じ平面内に格子カプラを含み得る。格子カプラは、ビーム幅、入射角度、および/または入射励起エネルギーの偏光を含む、ビームパラメータの特定のセットに対して構成されてもよい。 The grating coupler may be placed in a region of the integrated device outside the pixels of the integrated device. On the surface of the integrated device, the pixel sample well may occupy an area of the surface remote from the excitation source coupling region. An excitation source located proximate to the surface of the excitation source coupling region can be coupled with the grating coupler. The sample well may be located away from the excitation source coupling region to reduce interference of light from the excitation source to pixel performance. The grating coupler of the integrated device may be formed in one or more layers of the integrated device that contain the waveguides. Thus, the excitation source coupling region of the integrated device can include the grating coupler in the same plane of the integrated device as the waveguide. Grating couplers may be configured for a particular set of beam parameters, including beam width, angle of incidence, and/or polarization of incident excitation energy.
一体型デバイス26-200の断面図が図26に示されている。一体型デバイス26-200は、一体型デバイス26-200の層26-223中に形成された少なくとも1つの試料ウェル26-222を含む。一体型デバイス26-200は、一体型デバイス26-200の実質的に同じ平面に形成された格子カプラ26-216および導波路26-220を含む。いくつかの実施形態では、格子カプラ26-216および導波路26-220は、一体型デバイス26-200の同一層から形成され、同一材料を含み得る。一体型デバイス26-200の励起源カップリング領域26-201は、格子カプラ26-216を含む。図26に示されているように、試料ウェル26-222は、励起源カップリング領域26-201の外部の一体型デバイス26-200の表面に配置される。一体型デバイス26-200に対して配置された励起源26-214は、励起源カップリング領域26-201内の一体型デバイス26-200の表面26-215への入射励起エネルギーを提供することができる。格子カプラ26-216を励起源カップリング領域26-201内に配置することにより、格子カプラ26-216は、励起源26-214からの励起エネルギーとカップリングし、励起エネルギーを導波路26-220にカップリングすることができる。導波路26-220は、1つまたは複数の試料ウェル26-222の近くに励起エネルギーを伝播するように構成される。 A cross-sectional view of integrated device 26-200 is shown in FIG. Integrated device 26-200 includes at least one sample well 26-222 formed in layer 26-223 of integrated device 26-200. Integrated device 26-200 includes grating coupler 26-216 and waveguide 26-220 formed in substantially the same plane of integrated device 26-200. In some embodiments, grating couplers 26-216 and waveguides 26-220 may be formed from the same layer of integrated device 26-200 and include the same materials. The source coupling region 26-201 of the integrated device 26-200 includes a grating coupler 26-216. As shown in FIG. 26, the sample well 26-222 is located on the surface of the integrated device 26-200 outside the excitation source coupling region 26-201. An excitation source 26-214 positioned relative to the integrated device 26-200 can provide incident excitation energy to the surface 26-215 of the integrated device 26-200 within the excitation source coupling region 26-201. can. By placing the grating coupler 26-216 within the excitation source coupling region 26-201, the grating coupler 26-216 couples the excitation energy from the excitation source 26-214 and directs the excitation energy to the waveguide 26-220. can be coupled to Waveguides 26-220 are configured to propagate excitation energy proximate one or more sample wells 26-222.
格子カプラは、1つまたは複数の材料から形成され得る。いくつかの実施形態では、格子カプラは導波路中の光の伝播に対して平行な方向に沿って異なる材料の交互領域を含んでもよい。図26に示されているように、格子カプラ26-216は、材料26-224により囲まれた構造を含む。格子カプラを形成する1つまたは複数の材料は、光をカップリングおよび伝播するのに適切な1つまたは複数の屈折率を有し得る。いくつかの実施形態では、格子カプラは、より大きな屈折率を有する材料により囲まれた1つの材料から形成される構造を含んでもよい。一例として、格子カプラは、窒化ケイ素から形成され、二酸化ケイ素により囲まれた構造を含んでもよい。 A grating coupler may be formed from one or more materials. In some embodiments, a grating coupler may include alternating regions of different materials along a direction parallel to the propagation of light in the waveguide. As shown in FIG. 26, grating coupler 26-216 includes a structure surrounded by material 26-224. The material or materials forming the grating coupler may have a refractive index or indices suitable for coupling and propagating light. In some embodiments, a grating coupler may include a structure formed from one material surrounded by a material with a higher index of refraction. As an example, a grating coupler may include a structure formed from silicon nitride and surrounded by silicon dioxide.
任意の適切な寸法および/または格子間間隔は、格子カプラを形成するのに使用され得る。格子カプラ26-216は、導波路を通じた光の伝播に対して垂直な寸法、例えば、図26に示されているようにy方向に沿って約50nm、約100nm、約150nm、または約200nmなどを有することができる。導波路中の光伝播に対して平行な方向に沿った、例えば、図26に示されているようにz方向に沿った格子カプラの構造間の間隔は、任意の適切な距離を有し得る。間隔格子間は約300nm、約350nm、約400nm、約420nm、約450nm、または約500nmであってもよい。いくつかの実施形態では、格子間間隔は格子カプラ内で可変であってもよい。格子カプラ26-216は、外部励起源26-214とカップリングするのに適切な面積を提供する、一体型デバイス26-200の表面26-215に対して実質的に平行な1つまたは複数の寸法を有することができる。格子カプラ26-216の面積は、ビームが格子カプラ26-215と重複するように、励起源26-214からの光ビームの1つまたは複数の寸法と一致してもよい。格子カプラは、約10ミクロン、約20ミクロン、約30ミクロン、または約40ミクロンのビーム直径に対して構成される面積を有してもよい。 Any suitable dimensions and/or intergrating spacings can be used to form the grating couplers. Grating couplers 26-216 have dimensions perpendicular to the propagation of light through the waveguide, such as about 50 nm, about 100 nm, about 150 nm, or about 200 nm along the y-direction as shown in FIG. can have The spacing between structures of the grating coupler along the direction parallel to the propagation of light in the waveguide, for example along the z-direction as shown in FIG. 26, can have any suitable distance. . The spacing may be about 300 nm, about 350 nm, about 400 nm, about 420 nm, about 450 nm, or about 500 nm. In some embodiments, the intergrating spacing may be variable within the grating coupler. Grating couplers 26-216 are one or more substantially parallel to surfaces 26-215 of integrated device 26-200 that provide adequate area for coupling with external excitation sources 26-214. can have dimensions. The area of grating coupler 26-216 may match one or more dimensions of the light beam from excitation source 26-214 such that the beam overlaps with grating coupler 26-215. A grating coupler may have an area configured for a beam diameter of about 10 microns, about 20 microns, about 30 microns, or about 40 microns.
一体型デバイスは、光を反射するように構成されている、励起源の反対側の格子カプラの側面に形成された層を含むことができる。層は、格子カプラを通過する励起エネルギーを格子カプラに向かって反射することができる。一体型デバイスに層を含めることにより、導波路への励起エネルギーのカップリング効率が改善され得る。反射層の例は、図26に示された一体型デバイス26-200の層26-218である。層26-218は、一体型デバイス26-200の励起源カップリング領域26-201内に配置され、格子カプラ26-216に向かって光を反射するように構成される。層26-218は、励起源26-214からの入射励起エネルギーの反対側の格子カプラ26-216の側面に近接して形成される。一体型デバイス26-200の画素の外部の層26-218を配置することは、画素のパフォーマンス能力に対する層26-218の干渉を低減し得る。層26-218は、任意の適切な材料を含むことができる。層26-218は、1つまたは複数の励起エネルギーに対して実質的に反射され得る。いくつかの実施形態では、この層は、Al、AlCu、および/またはTiNを含んでもよい。 The integrated device can include a layer formed on the side of the grating coupler opposite the excitation source that is configured to reflect light. The layer can reflect excitation energy passing through the grating coupler towards the grating coupler. Including layers in an integrated device can improve the efficiency of coupling excitation energy into the waveguide. An example of a reflective layer is layers 26-218 of integrated device 26-200 shown in FIG. Layer 26-218 is disposed within excitation source coupling region 26-201 of integrated device 26-200 and is configured to reflect light toward grating coupler 26-216. Layers 26-218 are formed proximate the side of grating coupler 26-216 opposite the incident excitation energy from excitation source 26-214. Placing the layers 26-218 outside the pixels of the integrated device 26-200 may reduce the interference of the layers 26-218 with the performance capabilities of the pixels. Layers 26-218 may comprise any suitable material. Layers 26-218 may be substantially reflective to one or more excitation energies. In some embodiments, this layer may include Al, AlCu, and/or TiN.
B.導波路
一体型デバイスは、所望の量の励起エネルギーを一体型デバイスの1つまたは複数の試料ウェルへ加えるように配列された1つまたは複数の導波路を含んでもよい。導波路は、励起エネルギーが導波路に沿って伝播するとき、励起エネルギーの一部が1つまたは複数の試料ウェルにカップリングするように1つまたは複数の試料ウェルの近傍に配置される。導波路は、励起エネルギーを複数の画素にカップリングし、バス導波路としての機能を果たすことができる。例えば、単一導波路は、励起エネルギーを一体型デバイスの画素の列または行へ加えることができる。いくつかの実施形態では、導波路は、複数の特徴的な波長を有する励起エネルギーを伝播するように構成されてもよい。一体型デバイスの画素は、励起エネルギーを導波路から試料ウェルの近傍へと向かわせるように構成されている追加の構造(例えば、マイクロキャビティ)を含むことができる。いくつかの実施形態では、導波路は、試料ウェルおよび/または試料ウェルの近傍の領域に伸長するように構成されているエバネッセントテールを有する光学モードを有してもよい。試料ウェル近くに位置された追加のエネルギーカップリング構造は、エバネッセントテールからのエネルギーを試料ウェルへカップリングすることができる。
B. Waveguides The integrated device may include one or more waveguides arranged to apply a desired amount of excitation energy to one or more sample wells of the integrated device. A waveguide is positioned proximate the one or more sample wells such that a portion of the excitation energy is coupled into the one or more sample wells as the excitation energy propagates along the waveguide. The waveguide couples excitation energy to multiple pixels and can act as a bus waveguide. For example, a single waveguide can apply excitation energy to a column or row of pixels in an integrated device. In some embodiments, a waveguide may be configured to propagate excitation energy having multiple characteristic wavelengths. A pixel of the integrated device can include additional structures (eg, microcavities) configured to direct excitation energy from the waveguide to the vicinity of the sample well. In some embodiments, the waveguide may have an optical mode with an evanescent tail configured to extend into the sample well and/or regions near the sample well. Additional energy coupling structures located near the sample well can couple energy from the evanescent tail to the sample well.
一体型デバイスの導波路の1つまたは複数の寸法は、導波路に沿ったおよび/または1つまたは複数の試料ウェルへの励起エネルギーの所望の伝播を提供し得る。導波路は、断面幅と見なされ得る、光の伝播に対して垂直なおよび導波路の平面に対して平行な寸法を有することができる。導波路は、約0.4ミクロン、約0.5ミクロン、約0.6ミクロン、約0.65ミクロン、約0.8ミクロン、約1ミクロン、または約1.2ミクロンの断面幅を有してもよい。導波路は、断面高さと見なされ得る、光の伝播に対して垂直なおよび導波路の平面に対して垂直な寸法を有することができる。導波路は、約0.05ミクロン、約0.1ミクロン、約0.15ミクロン、約0.16ミクロン、約0.17ミクロン、約0.2ミクロン、または約0.3ミクロンの断面高さを有してもよい。いくつかの実施形態では、導波路は断面高さより大きな断面幅を有する。導波路は、試料ウェル26-222と導波路26-220との間の、約0.3ミクロン、0.5ミクロン、または約0.7ミクロンである図26に示された距離Dなどの、一体型デバイス内の1つまたは複数の試料ウェルから特定の距離に配置されてもよい。 One or more dimensions of the waveguide of the integrated device may provide desired propagation of excitation energy along the waveguide and/or to one or more sample wells. A waveguide can have a dimension perpendicular to the propagation of light and parallel to the plane of the waveguide, which can be considered a cross-sectional width. The waveguide has a cross-sectional width of about 0.4 microns, about 0.5 microns, about 0.6 microns, about 0.65 microns, about 0.8 microns, about 1 micron, or about 1.2 microns. may A waveguide can have a dimension perpendicular to the propagation of light and perpendicular to the plane of the waveguide, which can be considered a cross-sectional height. The waveguide has a cross-sectional height of about 0.05 microns, about 0.1 microns, about 0.15 microns, about 0.16 microns, about 0.17 microns, about 0.2 microns, or about 0.3 microns may have In some embodiments, the waveguide has a cross-sectional width that is greater than its cross-sectional height. The waveguides have a distance D between the sample wells 26-222 and the waveguides 26-220, such as the distance D shown in FIG. 26, which is about 0.3 microns, 0.5 microns, or about 0.7 microns. It may be located at a particular distance from one or more sample wells in the integrated device.
例示的な実施形態では、導波路は、約0.5μmの断面幅および約0.1μmの断面高さを有してもよく、ならびに試料ウェル層の約0.5μm下に配置されてもよい。別の例示的な実施形態では、導波路は、約1μmの断面幅および0.18μmの断面高さを有してもよく、ならびに試料ウェル層の0.3μm下に配置されてもよい。 In an exemplary embodiment, the waveguide may have a cross-sectional width of about 0.5 μm and a cross-sectional height of about 0.1 μm, and may be positioned about 0.5 μm below the sample well layer. . In another exemplary embodiment, the waveguide may have a cross-sectional width of approximately 1 μm and a cross-sectional height of 0.18 μm, and may be positioned 0.3 μm below the sample well layer.
導波路は、単一横放射モードを支持する寸法であってもよく、またはマルチ横放射モードを支持する寸法であってもよい。いくつかの実施形態では、導波路の1つまたは複数の寸法は、導波路が単一横モードのみを維持するように働いてもよく、TEまたはTM偏光モードを選択的に伝播してもよい。いくつかの実装において、導波路は、これが導波路内の縦方向直立モードを支持するように、その末端に形成された高反射セクションを有してもよい。1つのモードを支持することにより、導波路は、異なる伝播定数を有するモードのクロスカップリングからのモード干渉効果が低減され得る。いくつかの実施形態では、高反射セクションは単一の高反射表面を備える。他の実施形態では、高反射セクションは、全体として高反射率をもたらす複数の反射構造を備える。導波路は、単一励起源から複数の励起エネルギービームを生み出す導波路ビームスプリッタを用いて、より高い出力強度を有する単一励起源から励起エネルギーを分割するように構成され得る。そのようなビームスプリッタは、エバネッセントカップリングメカニズムを含み得る。さらにまたはあるいは、フォトニック結晶が、励起エネルギーの伝播を改善するために導波路構造において、および/または励起エネルギーの散乱を低減するために導波路を取り囲む材料において使用されてもよい。 The waveguide may be dimensioned to support a single transverse radiation mode, or it may be dimensioned to support multiple transverse radiation modes. In some embodiments, one or more dimensions of the waveguide may act so that the waveguide maintains only a single transverse mode and may selectively propagate TE or TM polarized modes. . In some implementations, the waveguide may have a highly reflective section formed at its end such that it supports longitudinal vertical modes within the waveguide. By supporting one mode, the waveguide may have reduced modal interference effects from cross-coupling of modes with different propagation constants. In some embodiments, the highly reflective section comprises a single highly reflective surface. In other embodiments, the highly reflective section comprises a plurality of reflective structures that collectively provide high reflectivity. A waveguide may be configured to split excitation energy from a single excitation source with higher output intensity using a waveguide beam splitter that produces multiple excitation energy beams from a single excitation source. Such beamsplitters may include evanescent coupling mechanisms. Additionally or alternatively, photonic crystals may be used in waveguide structures to improve excitation energy propagation and/or in materials surrounding the waveguides to reduce excitation energy scattering.
一体型デバイスの画素中の他のコンポーネントに関して、導波路の位置および配列は、試料ウェルに向かう励起エネルギーのカップリングを改善し、センサによる放射エネルギーの収集を改善し、および/または励起エネルギーにより導入されるシグナルノイズを低減するように構成され得る。導波路は、試料ウェルから放射される放射エネルギーによる導波路中で伝播している励起エネルギーの干渉を低減するように、試料ウェルに対してサイズおよび/または配置決めされてもよい。一体型デバイス内の導波路の位置決めおよび配列は、導波路および導波路を取り囲む材料の屈折率に依存し得る。例えば、導波路に沿った光伝播の方向に対して垂直な導波路、および導波路の平面内の寸法は、試料ウェルからの放射エネルギーの相当量が、画素のセンサへ伝播するときに導波路を通過できるように増大されてもよい。いくつかの実装において、試料ウェルと導波路との間の距離および/または導波路厚さは、導波路と周囲材料との間の1つまたは複数のインタフェースからの反射を低減するように選択されてもよい。いくつかの実施形態によれば、導波路による放射エネルギーの反射は、いくつかの実施形態では約5%未満、いくつかの実施形態では約2%未満、およびいくつかの実施形態ではさらに約1%未満まで低減され得る。 With respect to other components in the pixel of the integrated device, the position and arrangement of the waveguides improve the coupling of excitation energy towards the sample well, improve the collection of radiant energy by the sensor, and/or introduce by the excitation energy. can be configured to reduce the signal noise received. The waveguide may be sized and/or positioned with respect to the sample well to reduce interference of excitation energy propagating in the waveguide with radiant energy emanating from the sample well. The positioning and alignment of the waveguides within the integrated device can depend on the refractive indices of the waveguides and the materials surrounding the waveguides. For example, the waveguide perpendicular to the direction of light propagation along the waveguide, and the dimensions in the plane of the waveguide, allow a substantial amount of radiant energy from the sample well to propagate to the pixel's sensor. may be increased to allow passage of In some implementations, the distance between the sample well and the waveguide and/or the waveguide thickness are selected to reduce reflections from one or more interfaces between the waveguide and surrounding materials. may According to some embodiments, the reflection of radiant energy by the waveguide is less than about 5% in some embodiments, less than about 2% in some embodiments, and even less than about 1% in some embodiments. % can be reduced.
励起エネルギーを伝播する導波路の能力は、導波路の材料および導波路を取り囲む材料の両方に依存し得る。このようにして、導波路構造は、図26に例示されているように導波路26-220などのコア材料、および領域26-224などのクラッド材料を含み得る。導波路および周囲材料の両方の材料は、特徴的な波長を有する励起エネルギーの導波路を通じた伝播を可能にすることができる。導波路または周囲材料のどちらかの材料が、特定の屈折率または屈折率の組合せについて選択されてもよい。導波路材料が導波路周囲材料より低い屈折率を有してもよい。例示の導波路材料には、窒化ケイ素(SixNy)、オキシ窒化ケイ素、炭化ケイ素、酸化タンタル(TaO2)、二酸化アルミニウムが含まれる。例示の導波路周囲材料には、二酸化ケイ素(SiO2)および酸化ケイ素が含まれる。導波路および/または周囲材料は、1つまたは複数の材料を含むことができる。いくつかの例において、導波路および/または周囲材料の所望の屈折率は、1つを超える材料を含む導波路および/または周囲材料を形成することにより得られ得る。いくつかの実施形態では、導波路は窒化ケイ素を含み、周囲材料は二酸化ケイ素を含む。 The ability of a waveguide to propagate excitation energy can depend on both the material of the waveguide and the material surrounding the waveguide. Thus, a waveguide structure may include core material, such as waveguides 26-220, and cladding material, such as regions 26-224, as illustrated in FIG. Both the waveguide and the surrounding material can allow excitation energy having a characteristic wavelength to propagate through the waveguide. The material, either the waveguide or the surrounding material, may be selected for a particular refractive index or combination of refractive indices. The waveguide material may have a lower refractive index than the waveguide surrounding material. Exemplary waveguide materials include silicon nitride (Si x N y ), silicon oxynitride, silicon carbide, tantalum oxide (TaO 2 ), aluminum dioxide. Exemplary waveguide surrounding materials include silicon dioxide (SiO 2 ) and silicon oxide. The waveguide and/or surrounding material can include one or more materials. In some examples, a desired index of refraction for the waveguide and/or surrounding material may be obtained by forming the waveguide and/or surrounding material to include more than one material. In some embodiments, the waveguide comprises silicon nitride and the surrounding material comprises silicon dioxide.
導波路を単一導波路から複数の導波路に分割することは、励起エネルギーが一体型デバイスの試料ウェルの複数の列または行に達するのを可能にし得る。励起源は入力導波路にカップリングされてもよく、入力導波路は複数の出力導波路に分割されてもよく、各出力導波路は試料ウェルの列または行へ励起エネルギーを加える。導波路を分割するおよび/または組み合わせるための任意の適切な手法が使用され得る。そのような導波路分割および/または組合せ法には、スタースプリッタもしくはカプラ、Yスプリッタ、および/またはエバネッセントカプラが含まれ得る。さらにまたはあるいは、マルチモード干渉スプリッタ(MMI:multi-mode interference splitter)が、導波路を分割するおよび/または組み合わせるのに使用されてもよい。これらの導波路の分割および/または組合せ法の1つまたは複数が、励起エネルギーを試料ウェルへ向かわせるのに使用され得る。 Splitting the waveguide from a single waveguide into multiple waveguides can allow excitation energy to reach multiple columns or rows of sample wells in an integrated device. An excitation source may be coupled to an input waveguide, which may be split into multiple output waveguides, each output waveguide applying excitation energy to a column or row of sample wells. Any suitable technique for splitting and/or combining waveguides may be used. Such waveguide splitting and/or combining methods may include star splitters or couplers, Y splitters, and/or evanescent couplers. Additionally or alternatively, a multi-mode interference splitter (MMI) may be used to split and/or combine the waveguides. One or more of these waveguide splitting and/or combining methods can be used to direct the excitation energy to the sample well.
C.試料ウェル
いくつかの実施形態によれば、試料ウェル27-210は、一体型デバイスの1つまたは複数の画素において形成されてもよい。試料ウェルは、一体型デバイスの単一画素27-100を例示する図27Aおよび図27Bに描かれているように、基板27-105の表面に形成された、ならびに試料27-101が基板の表面に沈殿された標本から試料ウェルの内外へ拡散し得るように配列された小さな容積または領域を備えてもよい。様々な実施形態では、試料ウェル27-210は、導波路27-240からの励起エネルギーを受信するように配列されてもよい。試料ウェルへ拡散する試料27-101は、接着剤27-211により試料ウェルの励起領域27-215内に一時的または永久的に保持され得る。励起領域において、試料は励起エネルギー(例えば、励起放射27-247)により励起され得、その後、観察および評価されて試料を特徴付けることができる放射を放射し得る。
C. Sample Wells According to some embodiments, sample wells 27-210 may be formed in one or more pixels of an integrated device. A sample well was formed in the surface of substrate 27-105, and sample 27-101 was formed on the surface of the substrate, as depicted in FIGS. 27A and 27B illustrating a single pixel 27-100 of the integrated device It may comprise small volumes or regions arranged to allow diffusion into and out of the sample well from the deposited specimen. In various embodiments, sample wells 27-210 may be arranged to receive excitation energy from waveguides 27-240. A sample 27-101 that diffuses into the sample well can be temporarily or permanently held within the excitation region 27-215 of the sample well by an adhesive 27-211. In the excitation region, the sample can be excited by excitation energy (eg, excitation radiation 27-247) and then emit radiation that can be observed and evaluated to characterize the sample.
作動のさらなる詳細において、分析される少なくとも1つの試料27-101は、例えば、試料の流体懸濁液を含有する標本(不図示)から試料ウェル27-210へ導入されてもよい。導波路27-240からの励起エネルギーは、試料が試料ウェル内の励起領域27-215内にある間に、試料または試料に付着された少なくとも1つのマーカーもしくは試料と関連付けられたタグに含まれる少なくとも1つのマーカーを励起することができる。いくつかの実施形態によれば、マーカーは発光分子(例えば、フルオロフォア)または量子ドットであってもよい。いくつかの実装において、試料を分析するのに使用される1つを超えるマーカーがあってもよい(例えば、その全体が参照により援用される、J.エイドら(J.Eid,et al.)による「単一ポリメラーゼ分子からのリアルタイムDNA配列決定(Real-Time DNA Sequencing from Single Polymerase Molecules)」、Science 323、p.133(2009)に記載された単一分子遺伝子配列決定のために使用される異なるマーカーおよびタグ)。励起中および/または励起後、試料またはマーカーは放射エネルギーを放射し得る。複数のマーカーが使用される場合、これらは異なる特性のエネルギーで放射し得、および/または異なる寿命を含む異なる時間特性で放射し得る。試料ウェルからの放射エネルギーは、センサ27-260へ放射またはさもなければ移動することができ、そこで放射エネルギーは検出され、試料を特徴付けるのに使用され得る電気信号に変換される。 In further details of operation, at least one sample 27-101 to be analyzed may be introduced into the sample wells 27-210 from, for example, a specimen (not shown) containing a fluid suspension of the sample. The excitation energy from the waveguides 27-240 is at least contained in the sample or at least one marker or tag associated with the sample while the sample is within the excitation region 27-215 in the sample well. One marker can be excited. According to some embodiments, markers may be luminescent molecules (eg, fluorophores) or quantum dots. In some implementations, there may be more than one marker used to analyze the sample (e.g., J. Eid, et al., incorporated by reference in its entirety). in "Real-Time DNA Sequencing from Single Polymerase Molecules", Science 323, p.133 (2009). different markers and tags). During and/or after excitation, the sample or marker may emit radiant energy. When multiple markers are used, they may emit with different energy profiles and/or with different temporal profiles, including different lifetimes. Radiant energy from the sample well can be radiated or otherwise transferred to sensors 27-260 where the radiant energy is detected and converted into electrical signals that can be used to characterize the sample.
いくつかの実施形態によれば、試料ウェル27-210は、図27Bに描かれているように部分的に密閉された構造であってもよい。いくつかの実装において、試料ウェル27-210は、材料27-230の少なくとも1つの層に形成されたサブミクロンサイズの穴または間隙(少なくとも1つの横断寸法Dswにより特徴付けられた)を備える。いくつかの場合において、穴は「ナノ開口部」と呼ばれ得る。試料ウェルの横断寸法は、いくつかの実装においてより大きなおよびより小さなサイズが使用され得るが、いくつかの実施形態によれば約20ナノメートル~約1ミクロンであってもよい。試料ウェル27-210の容積は、いくつかの実装において約10-21リットル~約10-15リットルであってもよい。試料ウェルは、伝播モードを支持し得る、または支持し得ない導波路として形成されてもよい。試料ウェルは、伝播モードを支持し得る、または支持し得ない導波路として形成されてもよい。いくつかの実施形態では、試料ウェルは、直径(または最大横断寸法)Dswを有するシリンダー形状(または類似の形状)を有するゼロモード導波路(ZMW:zero-mode waveguide)として形成されてもよい。ZMWは、穴を通じた伝播光学モードを支持しないナノスケール穴として単一金属層に形成されてもよい。 According to some embodiments, sample wells 27-210 may be partially enclosed structures as depicted in FIG. 27B. In some implementations, sample wells 27-210 comprise submicron-sized holes or gaps (characterized by at least one transverse dimension D sw ) formed in at least one layer of material 27-230. In some cases, holes may be referred to as "nano-apertures." The transverse dimension of the sample well may be from about 20 nanometers to about 1 micron according to some embodiments, although larger and smaller sizes may be used in some implementations. The volume of sample wells 27-210 may be from about 10 −21 liters to about 10 −15 liters in some implementations. A sample well may be formed as a waveguide that may or may not support a propagating mode. A sample well may be formed as a waveguide that may or may not support a propagating mode. In some embodiments, the sample well may be formed as a zero-mode waveguide (ZMW) having a cylindrical shape (or similar shape) with a diameter (or maximum transverse dimension) D sw . ZMWs may be formed in a single metal layer as nanoscale holes that do not support propagating optical modes through the holes.
試料ウェル27-210は容積が小さいため、試料が、天然の環境において見出される濃度に類似した濃度で調査標本中に濃縮されることがあっても、各画素における単一試料事象(例えば、単一分子事象)の検出が可能となり得る。例えば、マイクロモル濃度の試料が、一体型デバイスと接触して置かれた標本中に存在してもよいが、画素レベルでは約1つの試料(または単一分子事象)のみが常時、試料ウェル内にあり得る。統計的に、いくつかの試料ウェルは試料を含有し得、いくつかは1つを超える試料を含有し得ない。しかし、かなりの数の試料ウェルが単一試料を含有し得(例えば、いくつかの実施形態では少なくとも30%)、その結果、単一分子分析が多数の画素について同時に実施され得る。単一分子事象または単一試料事象は各画素で分析され得るため、一体型デバイスは、さもなければアンサンブル平均では気づかれ得ない稀な事象を検出できるようにする。 Due to the small volume of sample wells 27-210, a single sample event (e.g., single single-molecule events) can be enabled. For example, micromolar concentrations of sample may be present in a specimen placed in contact with an integrated device, but at the pixel level only about one sample (or single molecule event) is in the sample well at any given time. can be Statistically, some sample wells may contain samples and some may not contain more than one sample. However, a significant number of sample wells may contain a single sample (eg, at least 30% in some embodiments) so that single molecule analysis can be performed on multiple pixels simultaneously. Because single-molecule or single-sample events can be analyzed at each pixel, the integrated device allows detection of rare events that would otherwise not be noticed with ensemble averaging.
試料ウェルの横断寸法Dswは、いくつかの実施形態では約500ナノメートル(nm)~約1ミクロン、いくつかの実施形態では約250nm~約500nm、いくつかの実施形態では約100nm~約250nm、およびさらにいくつかの実施形態では約20nm~約100nmであってもよい。いくつかの実装によれば、試料ウェルの横断寸法は約80nm~約180nm、または励起波長もしくは放射波長の約4分の1~8分の1である。他の実装によれば、試料ウェルの横断寸法は約120nm~約170nmである。いくつかの実施形態では、試料ウェル27-210の奥行きまたは高さは、約50nm~約500nmであってもよい。いくつかの実装において、試料ウェル27-210の奥行きまたは高さは、約80nm~約250nmであってもよい。 A sample well has a transverse dimension D sw in some embodiments from about 500 nanometers (nm) to about 1 micron, in some embodiments from about 250 nm to about 500 nm, in some embodiments from about 100 nm to about 250 nm. , and even from about 20 nm to about 100 nm in some embodiments. According to some implementations, the sample well has a transverse dimension of about 80 nm to about 180 nm, or about 1/4 to 1/8 of the excitation or emission wavelength. According to other implementations, the sample well has a transverse dimension of about 120 nm to about 170 nm. In some embodiments, the depth or height of sample wells 27-210 may be from about 50 nm to about 500 nm. In some implementations, the depth or height of sample wells 27-210 may be from about 80 nm to about 250 nm.
サブ波長の横断寸法を有する試料ウェル27-210は、少なくとも2つの方法で一体型デバイスの画素27-100の作動を改善することができる。例えば、標本の反対側から試料ウェルへの入射励起エネルギーは、指数関数的に減少する力で励起領域27-215にカップリングし、試料ウェルを通じて標本へ伝播しないことがある。結果として、励起エネルギーは、これが対象の試料を励起する励起領域において増大され、バックグラウンドノイズに寄与する他の試料を励起する標本において低減される。また、試料ウェルを通って上方へ伝播する放射が高度に抑制されることから、(例えば、センサ27-260により近い)ウェルの底部で保持されている試料からの放射は、好ましくはセンサへ向けられる。これらの効果は両方とも、画素におけるシグナル対ノイズ比を改善することができる。本発明者らは、画素におけるシグナル対ノイズレベルをさらに引き上げるために改善され得る試料ウェルのいくつかの態様を認識している。これらの態様は試料ウェル形状および構造に関し、また、試料ウェルへの励起エネルギーのカップリングおよび試料ウェルから放射される放射を助ける、隣接する光学およびプラズモン構造(以下に記載された)にも関する。 Sample wells 27-210 with sub-wavelength transverse dimensions can improve the operation of pixels 27-100 of integrated devices in at least two ways. For example, incident excitation energy into the sample well from the opposite side of the specimen may couple into the excitation regions 27-215 with exponentially decreasing forces and not propagate through the sample well into the specimen. As a result, the excitation energy is increased in the excitation region where it excites the sample of interest and is reduced in the specimen where it excites other samples contributing to background noise. Also, because radiation propagating upward through the sample well is highly suppressed, radiation from the sample held at the bottom of the well (eg, closer to the sensors 27-260) is preferably directed toward the sensor. be done. Both of these effects can improve the signal-to-noise ratio in a pixel. The inventors recognize several aspects of sample wells that can be improved to further increase the signal-to-noise level at the pixel. These aspects relate to sample well geometry and structure, and also to adjacent optical and plasmonic structures (described below) that assist in coupling excitation energy into and radiation emitted from the sample well.
いくつかの実施形態によれば、試料ウェル27-210は、対象の特定の波長に対する伝播モードを支持しないように構成されているナノ開口部として形成されてもよい。いくつかの例において、全てのモードが閾値波長以下であるナノ開口部が構成され、該開口部はサブカットオフナノ開口部(SCN:sub-cutoff nanoaperture)であってもよい。例えば、試料ウェル27-210は、伝導層にシリンダー形状の穴または穿孔を備えてもよい。試料ウェルの横断面は丸い必要はなく、いくつかの実施形態では楕円形、正方形、長方形、または多角形であってもよい。励起エネルギー27-247(例えば、可視または近赤外放射)は、図27Bに描かれているように、ウェルの第1の末端の試料ウェルの壁27-214により規定され得る入口開口部27-212を通じて試料ウェルに入ることができる。SCNとして形成される場合、励起エネルギーは、ナノ開口部の長さに沿って(例えば標本の方向に)指数関数的に減衰し得る。いくつかの実装において、導波路は試料から放射される放射のためのSCNを備えてもよいが、励起エネルギーのためのSCNでなくてもよい。励起エネルギーは、放射される放射より短い波長を有し得ることから、例えば、試料ウェルにより形成される開口部および導波路は、励起エネルギーのための伝播モードを支持するのに十分大きくなり得る。より長い波長の放射は、導波路における伝播モードのカットオフ波長を超える可能性がある。いくつかの実施形態によれば、試料ウェル27-210は、励起エネルギーの最大強度が、試料ウェル27-210の入口の試料ウェルの励起領域27-215に局在化される(例えば、図に描かれているように層27-235と層27-230との間のインタフェース近くに局在化される)ように、励起エネルギーのためのSCNを備えてもよい。励起エネルギーのそのような局在化は、試料からの放射エネルギーの局在化を改善し、単一試料(例えば、単一分子)から放射される観察される放射を限定することができる。 According to some embodiments, sample wells 27-210 may be formed as nano-apertures that are configured not to support propagation modes for particular wavelengths of interest. In some examples, a nanoaperture is constructed in which all modes are below the threshold wavelength, and the aperture may be a sub-cutoff nanoaperture (SCN). For example, sample wells 27-210 may comprise cylindrical holes or perforations in the conductive layer. The cross-section of the sample well need not be round, and may be oval, square, rectangular, or polygonal in some embodiments. Excitation energy 27-247 (eg, visible or near-infrared radiation) may be defined by walls 27-214 of the sample well at the first end of the well, as depicted in FIG. 27B. The sample well can be entered through 212 . When configured as an SCN, the excitation energy can decay exponentially along the length of the nanoaperture (eg, towards the specimen). In some implementations, the waveguide may have an SCN for radiation emitted from the sample, but not an SCN for excitation energy. Since the excitation energy can have a shorter wavelength than the emitted radiation, the apertures and waveguides formed by, for example, the sample well can be large enough to support the propagating modes for the excitation energy. Longer wavelength radiation can exceed the cutoff wavelength of the propagating mode in the waveguide. According to some embodiments, the sample wells 27-210 have the maximum intensity of the excitation energy localized in the sample well excitation region 27-215 at the entrance of the sample well 27-210 (eg, An SCN for the excitation energy may be provided (localized near the interface between layers 27-235 and 27-230 as depicted). Such localization of excitation energy improves the localization of radiant energy from the sample and can limit the observed radiation emitted from a single sample (eg, single molecule).
いくつかの実施形態によれば、画素27-100は追加の構造を含んでもよい。例えば、画素27-100は、試料ウェル内の試料への励起エネルギーのカップリングに影響を与える1つまたは複数の励起カップリング構造27-220を含むことができる。画素は、試料ウェル内の試料からの放射エネルギーをセンサ27-260へ向かわせることに影響を与える放射誘導構造27-250も含むことができる。 Pixels 27-100 may include additional structures, according to some embodiments. For example, pixel 27-100 can include one or more excitation coupling structures 27-220 that affect the coupling of excitation energy to the sample within the sample well. The pixels can also include radiation directing structures 27-250 that affect directing radiant energy from the sample in the sample well to the sensor 27-260.
試料ウェルに局在化された励起エネルギーの強度を改善するために、本発明者らにより他の試料ウェル構造が開発さおよび試験された。図27Cは、試料ウェルの励起端に空洞またはディボット27-216を含む試料ウェルの実施形態を描く。ディボット27-216を試料ウェルに加えることにより、いくつかの実施形態によれば、試料がより高い励起強度の領域に移動できるようになる。いくつかの実装において、ディボットの形状および構造は局所励起場を変化させ(例えば、層27-235と試料ウェル中の流体との間の屈折率の差のために)、ディボット中の励起エネルギーの強度をさらに増大させることができる。ディボット27-216は、試料ウェル27-214を占める試料容積の一部およびディボット27-216が、層27-216を形成する材料により取り囲まれるように、層27-235内に形成されてもよい。 Other sample well structures have been developed and tested by the inventors to improve the intensity of the excitation energy localized to the sample well. FIG. 27C depicts an embodiment of a sample well that includes cavities or divots 27-216 at the excitation end of the sample well. Adding divots 27-216 to the sample well allows the sample to move to regions of higher excitation intensity, according to some embodiments. In some implementations, the shape and structure of the divot changes the local excitation field (e.g., due to the difference in refractive index between layers 27-235 and the fluid in the sample well), causing the excitation energy in the divot to change. Strength can be further increased. Divots 27-216 may be formed in layers 27-235 such that a portion of the sample volume occupying sample wells 27-214 and divots 27-216 are surrounded by the material forming layers 27-216. .
ディボットは任意の適切な形状を有することができる。ディボットは、試料ウェルの横断形状に実質的に等しい横断形状、例えば、円形、楕円形、正方形、長方形、多角形等を有することができる。いくつかの実施形態では、ディボットの側壁は、試料ウェルの壁のように実質的に一直線および垂直であってもよい。いくつかの実装において、ディボットの側壁は、図に描かれているように傾斜および/または湾曲していてもよい。ディボットの横断寸法は、いくつかの実施形態では試料ウェルの横断寸法とほぼ同じサイズであってもよく、いくつかの実施形態では試料ウェルの横断寸法より小さくてもよく、またはいくつかの実施形態では試料ウェルの横断寸法より大きくてもよい。ディボット27-216は、試料ウェル層27-230を約10nm~約200nm超えて伸長してもよい。いくつかの実装において、ディボットは、試料ウェル層27-230を約50nm~約150nm超えて伸長してもよい。いくつかの実施形態では、ディボットは、試料ウェル層27-230を約150nm~約250nm超えて伸長してもよい。ディボットを形成することにより、励起領域27-215は、図27Cに描かれているように試料ウェルの外側に伸長することができる。 The divot can have any suitable shape. The divot can have a transverse shape substantially equal to the transverse shape of the sample well, eg, circular, oval, square, rectangular, polygonal, and the like. In some embodiments, the sidewalls of the divot may be substantially straight and vertical like the walls of the sample well. In some implementations, the sidewalls of the divot may be slanted and/or curved as depicted in the figures. The transverse dimension of the divot may be about the same size as the transverse dimension of the sample well in some embodiments, smaller than the transverse dimension of the sample well in some embodiments, or may be greater than the transverse dimension of the sample well. The divots 27-216 may extend from about 10 nm to about 200 nm beyond the sample well layer 27-230. In some implementations, the divots may extend about 50 nm to about 150 nm beyond the sample well layers 27-230. In some embodiments, the divots may extend about 150 nm to about 250 nm beyond the sample well layers 27-230. By forming divots, excitation regions 27-215 can extend outside the sample well as depicted in FIG. 27C.
いくつかの実施形態は、ディボットが導波路に近接して配置された試料ウェルを有する一体型デバイスに関する。図28は、層28-630および層28-636に形成された試料ウェル28-632を有する一体型デバイスを示す。層28-630は金属層であってもよく、1つまたは複数の金属(例えば、Al)を含んでもよい。層28-636は誘電層の機能を果たしてもよく、1つまたは複数の誘電材料(例えば、二酸化ケイ素)を含んでもよい。試料ウェル28-632は、層28-630および/または層28-636に対して平行な方向に可変寸法を有してもよい。試料ウェル28-632は、一体型デバイスの少なくとも層28-630内でz方向に沿って寸法D2を有してもよく、いくつかの実施形態では、寸法D2は、試料ウェル28-632の直径と見なされてもよい。試料ウェル28-632の寸法D2は、約700nm、約800nm、約900nm、約1ミクロン、または約1.1ミクロンであってもよい。試料ウェル28-632は、一体型デバイスの層28-636内でz方向に沿って寸法D1を有してもよく、いくつかの実施形態では、試料ウェル28-632の表面における直径と見なされてもよい。寸法D1は、約100nm、約150nm、約200nm、または約250nmであってもよい。寸法D1を有する試料ウェル28-632の表面は、導波路28-634からx方向に沿って寸法d1に配置される。距離d1により導波路28-634に近接して試料ウェル28-632を配置することは、導波路28-634から試料ウェル28-632への励起エネルギーのカップリングの改善を可能にし得る。寸法d1は、約50nm、約100nm、約150nm、約200nm、または約250nmであってもよい。 Some embodiments relate to an integrated device having a sample well with a divot positioned proximate to a waveguide. FIG. 28 shows an integrated device having sample wells 28-632 formed in layers 28-630 and 28-636. Layers 28-630 may be metal layers and may include one or more metals (eg, Al). Layers 28-636 may function as dielectric layers and may include one or more dielectric materials (eg, silicon dioxide). Sample wells 28-632 may have variable dimensions in directions parallel to layers 28-630 and/or layers 28-636. The sample well 28-632 may have a dimension D2 along the z-direction within at least the layer 28-630 of the integrated device, and in some embodiments the dimension D2 is the diameter of the sample well 28-632. may be considered. Dimension D2 of sample well 28-632 may be about 700 nm, about 800 nm, about 900 nm, about 1 micron, or about 1.1 microns. The sample well 28-632 may have a dimension D1 along the z-direction within the layer 28-636 of the integrated device, which in some embodiments is considered the diameter at the surface of the sample well 28-632. may Dimension D1 may be about 100 nm, about 150 nm, about 200 nm, or about 250 nm. A surface of sample well 28-632 having dimension D1 is positioned dimension d1 along the x-direction from waveguide 28-634. Placing sample well 28-632 closer to waveguide 28-634 by distance d1 may allow for improved coupling of excitation energy from waveguide 28-634 to sample well 28-632. Dimension d1 may be about 50 nm, about 100 nm, about 150 nm, about 200 nm, or about 250 nm.
D.試料ウェルへの励起エネルギーのカップリング
一体型デバイスの1つまたは複数の試料ウェルへの励起エネルギーのカップリングは、1つまたは複数の手法により生じ得る。先に論じられているように、いくつかの実施形態では、導波路は、1つまたは複数の試料ウェルに対する励起源とカップリングするように配置される。励起エネルギーが導波路に沿って伝播するとき、励起エネルギーの一部は、様々な光カップリング法により1つまたは複数の試料ウェルにカップリングされ得る。例えば、導波路は、励起エネルギーを実質的に一方向に導き得、この一方向に対して垂直なエバネッセント波またはテールが形成され、およびいくつかの例においては導波路構造の外側に位置され得る。そのようなエバネッセントテールは、励起エネルギーの一部を1つまたは複数の試料ウェルへと向かわせることができる。いくつかの実施形態では、試料ウェル層は、励起エネルギーを試料ウェル内の局在化領域へ向かわせるように設計および構成されてもよい。試料ウェルは、励起エネルギーが試料へと向けられるように、試料を試料ウェルの局在化領域内に保持するように構成されてもよい。
D. Coupling Excitation Energy to Sample Wells Coupling excitation energy to one or more sample wells of an integrated device can occur by one or more techniques. As discussed above, in some embodiments the waveguide is arranged to couple with an excitation source for one or more sample wells. As the excitation energy propagates along the waveguide, a portion of the excitation energy can be coupled to one or more sample wells by various optical coupling methods. For example, a waveguide can direct excitation energy in substantially one direction, forming an evanescent wave or tail perpendicular to this one direction, and in some examples can be located outside the waveguide structure. . Such evanescent tails can direct some of the excitation energy into one or more sample wells. In some embodiments, the sample well layer may be designed and configured to direct excitation energy to localized regions within the sample well. The sample well may be configured to retain the sample within a localized region of the sample well such that excitation energy is directed to the sample.
さらに、1つまたは複数のコンポーネントが、試料ウェルへの励起エネルギーのカップリングを改善または増強するために一体型デバイスに形成されてもよい。これらの追加のコンポーネントは、画素内に形成されてもよく、導波路からの励起エネルギーの、画素および試料ウェルへのカップリングをもたらしてもよい。画素内に位置される1つまたは複数のコンポーネントは、導波路からの励起エネルギーの一部を画素に入り込ませるように働くことができる。そのようなコンポーネントは、格子構造、散乱構造、マイクロキャビティおよび/またはナノアンテナなどの光学的構造を含むことができる。1つまたは複数のこれらのコンポーネントの特徴または構成は、試料ウェルの列または行内の特定の量の励起エネルギーを各試料ウェルへカップリングするために選択され得る。励起エネルギーを1列の画素に提供するように構成されている導波路は、各画素領域中のコンポーネントにカップリングして、画素の該列中の各画素に励起エネルギーの一部を提供することができる。導波路が、励起源からの励起エネルギーを1つまたは複数の画素へと向かわせるように構成される場合、導波路はバス導波路と呼ばれ得る。 Additionally, one or more components may be formed into an integrated device to improve or enhance the coupling of excitation energy to the sample well. These additional components may be formed within the pixel and may provide coupling of excitation energy from the waveguide to the pixel and sample well. One or more components located within the pixel can serve to channel some of the excitation energy from the waveguide into the pixel. Such components can include optical structures such as grating structures, scattering structures, microcavities and/or nanoantennas. The characteristics or configuration of one or more of these components can be selected to couple a particular amount of excitation energy to each sample well within a column or row of sample wells. A waveguide configured to provide excitation energy to a column of pixels is coupled to a component in each pixel region to provide a portion of the excitation energy to each pixel in the column of pixels. can be done. When a waveguide is configured to direct excitation energy from an excitation source to one or more pixels, the waveguide may be referred to as a bus waveguide.
試料ウェルに隣接して配置されたコンポーネントは、導波路からの励起エネルギーの試料ウェルへのカップリングを改善することができる。そのようなコンポーネントは、タップおよび/またはマイクロキャビティと呼ばれ得る。マイクロキャビティは、励起エネルギーが試料ウェルに達するように、導波路からの励起エネルギーの一部をそらせることができる。1つまたは複数のマイクロキャビティは、励起エネルギーを試料ウェルにカップリングするのに使用され得る。1つまたは複数のマイクロキャビティは、金属損失を含む導波路からの励起エネルギーの損失を低減することができる。1つまたは複数のマイクロキャビティは、励起エネルギーを試料ウェルに集中させるレンズの機能を果たすことができる。いくつかの実施形態では、1つまたは複数のマイクロキャビティは、試料ウェル中のマーカーからの発光のセンサへの誘導を改善することができる。マイクロキャビティは、シリンダー、凸面状、凹面状、長方形、球形、もしくは楕円形構成、または任意の他の適切な形状を有することができる。マイクロキャビティは、任意の適切な材料から形成され得る。いくつかの実施形態では、マイクロキャビティは窒化ケイ素を含んでもよい。 A component placed adjacent to the sample well can improve the coupling of excitation energy from the waveguide to the sample well. Such components may be referred to as taps and/or microcavities. The microcavity can divert some of the excitation energy from the waveguide so that the excitation energy reaches the sample well. One or more microcavities can be used to couple excitation energy to the sample well. One or more microcavities can reduce the loss of excitation energy from the waveguide, including metal losses. One or more microcavities can act as lenses that focus the excitation energy into the sample well. In some embodiments, one or more microcavities can improve the guidance of luminescence from the markers in the sample wells to the sensor. A microcavity can have a cylindrical, convex, concave, rectangular, spherical, or elliptical configuration, or any other suitable shape. Microcavities can be formed from any suitable material. In some embodiments, the microcavities may comprise silicon nitride.
1つまたは複数のマイクロキャビティは、試料ウェルが存在する一体型デバイスの最上部から眺められる場合、励起エネルギーを試料ウェルへと向かわせる導波路の少なくとも一部と重複する場合がある。導波路の厚さは、励起エネルギーの損失を低減し、1つまたは複数のマイクロキャビティへの励起エネルギーのカップリングを改善するように構成されてもよい。いくつかの実施形態では、試料ウェルの列に沿ったマイクロキャビティは、各試料ウェルに対する導波路間でカップリング強度が異なってもよい。マイクロキャビティは、励起エネルギーが導波路から各試料ウェルへ向けられるときの導波路内のパワーの低下を調整するために、励起エネルギーの伝播方向に沿ってカップリングを増大させることができる。いくつかの実施形態では、1つまたは複数のマイクロキャビティは試料ウェルに隣接している。試料ウェルの中心とマイクロキャビティの中心の位置の間にオフセット距離があってもよい。他の実施形態では、1つのマイクロキャビティは、試料ウェルが存在する一体型デバイスの最上部から眺められる場合、少なくとも試料ウェルの一部およびマイクロキャビティの一部が重複するように、試料ウェルの下に位置される。 The one or more microcavities may overlap at least part of the waveguide that directs the excitation energy to the sample well when viewed from the top of the integrated device in which the sample well resides. The waveguide thickness may be configured to reduce excitation energy loss and improve excitation energy coupling to the one or more microcavities. In some embodiments, the microcavities along the row of sample wells may have different coupling strengths between the waveguides for each sample well. The microcavity can increase the coupling along the propagation direction of the excitation energy to accommodate the power drop in the waveguide as the excitation energy is directed from the waveguide to each sample well. In some embodiments, one or more microcavities are adjacent to the sample well. There may be an offset distance between the location of the center of the sample well and the center of the microcavity. In other embodiments, one microcavity is below the sample well such that at least a portion of the sample well and a portion of the microcavity overlap when viewed from the top of the integrated device in which the sample well resides. located in
一体型デバイスの導波路の1つまたは複数の寸法は、導波路の中を通る光伝播の方向に導波路の長さに沿って異なってもよい。導波路に沿って1つまたは複数の寸法を変えることにより、導波路により複数の試料ウェルへ提供される励起エネルギーのカップリング効率および量の実質的な均一性を改善することができる。いくつかの実施形態では、導波路の断面幅は、画素の列または行に沿って異なってもよい。導波路は、導波路の中を通る励起エネルギーの伝播の方向に沿って導波路の断面幅が減少するようにテーパーを含んでもよい。いくつかの実施形態では、テーパー導波路は、列中の画素がマイクロキャビティおよび試料ウェルを含む1列の画素に関する類似したカップリング効率のために構成されてもよい。テーパー導波路および/またはマイクロキャビティの1つまたは複数の寸法を変える組合せは、励起エネルギーが列中の各試料ウェルにカップリングされるときの導波路の長さに沿った励起エネルギーのパワーの低下を調整することができる。 One or more dimensions of the waveguide of the integrated device may vary along the length of the waveguide in the direction of light propagation through the waveguide. By varying one or more dimensions along the waveguide, the coupling efficiency and substantial uniformity of the amount of excitation energy provided by the waveguide to multiple sample wells can be improved. In some embodiments, the cross-sectional width of the waveguides may vary along the columns or rows of pixels. The waveguide may include a taper such that the cross-sectional width of the waveguide decreases along the direction of propagation of excitation energy through the waveguide. In some embodiments, tapered waveguides may be configured for similar coupling efficiencies for a row of pixels where the pixels in the row include microcavities and sample wells. The combination of varying one or more dimensions of the tapered waveguide and/or microcavity reduces the power of the excitation energy along the length of the waveguide as it is coupled into each sample well in the array. can be adjusted.
いくつかの実施形態では、導波路は、エバネッセント場により試料ウェルにカップリングすることができる。いくつかの実施形態では、試料ウェルに近接して配置された同心円の格子リングを有するブルズアイ格子構造は、導波路から試料ウェルへの励起エネルギーのカップリングを改善することができる。いくつかの実施形態では、導波路は、導波路中で伝播している励起エネルギーからのエバネッセント場が試料ウェルにカップリングするように、試料ウェルの近傍において断面幅が減少した領域を含んでもよい。1列の画素に対して、導波路は、列中の試料ウェル間のカップリング均一性および効率を改善するために、導波路の長さに沿って断面幅が減少した複数の領域を含んでもよい。このようにして、導波路は、導波路に沿った特定の位置においてすぼまったセクションを有すると見なされ得る。 In some embodiments, the waveguide can be coupled to the sample well by an evanescent field. In some embodiments, a bull's eye grating structure with concentric grating rings located close to the sample well can improve the coupling of excitation energy from the waveguide to the sample well. In some embodiments, the waveguide may include a region of reduced cross-sectional width in the vicinity of the sample well such that evanescent fields from excitation energy propagating in the waveguide are coupled to the sample well. . For a single column of pixels, the waveguide may include multiple regions of reduced cross-sectional width along the length of the waveguide to improve coupling uniformity and efficiency between sample wells in the column. good. As such, the waveguide can be viewed as having a tapered section at a particular location along the waveguide.
1つまたは複数の試料ウェル有する一体型デバイスの層は、導波路の中を通る光の伝播を干渉する場合がある。いくつかの実施形態では、試料ウェル層は金属(例えば、アルミニウム)で形成される。デバイスのパフォーマンスの損失を低減および改善するように、導波路から特定の距離に試料ウェル層を配置することが望ましい場合がある。これらの手法は、導波路から特定の距離に試料ウェル層を配置することにより達成される所望のパフォーマンスを可能にし得、一方で層内の試料ウェルが十分な量の励起エネルギーを受信できるようにする。 Layers of an integrated device with one or more sample wells may interfere with the propagation of light through the waveguide. In some embodiments, the sample well layer is formed of metal (eg, aluminum). It may be desirable to place the sample well layer at a particular distance from the waveguide so as to reduce and improve device performance losses. These approaches may allow the desired performance to be achieved by placing the sample well layer at a particular distance from the waveguide, while allowing the sample well within the layer to receive a sufficient amount of excitation energy. do.
E.センサへの放射エネルギーの誘導
一体型デバイスは、試料ウェル中の試料からのセンサによる発光の収集を改善するように画素の試料ウェルとセンサとの間に配置された1つまたは複数のコンポーネントを含んでもよい。そのようなコンポーネントは、発光シグナル対バックグラウンドシグナルのシグナル対ノイズ比を改善して発光マーカーの検出を改善させることができる。いくつかのコンポーネントは、試料ウェルからの発光を対応する画素中のセンサへ向かわせることができる。いくつかの実施形態では、コンポーネントは、試料ウェルへの励起エネルギーの適切なカップリングおよび試料ウェルからの発光のカップリングの両方を提供してもよい。他のコンポーネント(例えば、フィルター)は、センサにより取得されたシグナルに対して寄与する、試料および/またはマーカーと関連付けられない励起エネルギーおよび他の光を低減することができる。
E. Directing Radiant Energy to the Sensor The integrated device includes one or more components positioned between the pixel sample well and the sensor to improve the collection of emitted light by the sensor from the sample in the sample well. It's okay. Such components can improve the signal-to-noise ratio of luminescent signal to background signal to improve detection of luminescent markers. Some components can direct emission from a sample well to sensors in corresponding pixels. In some embodiments, the component may provide both suitable coupling of excitation energy to the sample well and coupling of emission from the sample well. Other components (eg, filters) can reduce excitation energy and other light not associated with the sample and/or markers that contribute to the signal acquired by the sensor.
ブルズアイ格子は、試料ウェルの周囲の同心円の格子リングから形成され得る。ブルズアイ格子は、試料ウェルとカップリングして試料ウェルからの発光の伝播を改善することができる。ブルズアイ格子構造は、試料ウェルを有する画素中のセンサへと発光を向かわせることができる。いくつかの実施形態では、ブルズアイ格子により向けられる発光の有効直径は約5ミクロンである。いくつかの実施形態では、試料ウェルへ励起エネルギーを伝播させるための導波路および試料ウェルのカップリングのために提供される1つまたは複数のマイクロキャビティも、発光を試料ウェルからセンサへ向かわせることができる。 A bull's eye grid can be formed from concentric grid rings around the sample well. A bull's eye grating can be coupled with the sample well to improve the propagation of luminescence from the sample well. A bull's eye grating structure can direct light emission to the sensor in the pixel with the sample well. In some embodiments, the effective diameter of emitted light directed by the bull's eye grating is about 5 microns. In some embodiments, a waveguide for propagating excitation energy to the sample well and one or more microcavities provided for coupling the sample well also direct emission from the sample well to the sensor. can be done.
センサを中心とした間隙を有するバッフルが、試料ウェルとセンサとの間に形成されてもよい。図26に示されているように、バッフル層26-226は、試料ウェル26-22とセンサ層26-230との間に配置される。画素中のバッフルは、該画素に関する発光以外のエネルギーの収集を抑制するように設計され得る。試料ウェルおよびセンサと関連付けられたバッフルは、該センサと関連付けられた試料ウェルからの発光と関連付けられない近隣の画素からの発光、励起エネルギー、および他のエネルギーを低減しながら、試料ウェルからの発光がセンサに達するのを可能にすることができる。バッフルの間隙の寸法は、同じ画素上のブルズアイにより発光が向けられるように構成されてもよい。図26に示されているように、バッフル26-226は、層26-230に配置されたセンサまで発光を通過させるための、z方向に沿った間隙を有する。バッフルの材料は、特定の入射角での特定の光波長またはエネルギーの送信を低減することなど、特定の光学的特質について選択され得る。いくつかの実施形態では、バッフルは、異なる屈折率を有する材料の複数の層により形成されてもよい。バッフルは、シリコン、窒化ケイ素(Si3N4)、シリコン、窒化チタン(TiN)、およびアルミニウム(Al)の1つまたは複数の層を含んでもよい。バッフルを形成するように構成されている層は、約20nm、約20nm、約50nm、約60nm、約70nm、約80nm、または約90nmの断面高さを有してもよい。 A baffle with a gap centered on the sensor may be formed between the sample well and the sensor. As shown in FIG. 26, baffle layer 26-226 is positioned between sample well 26-22 and sensor layer 26-230. Baffles in pixels can be designed to suppress the collection of non-luminous energy for the pixel. A baffle associated with a sample well and sensor reduces emission from the sample well while reducing emission, excitation energy, and other energy from neighboring pixels not associated with emission from the sample well associated with the sensor. can be allowed to reach the sensor. The dimensions of the baffle gap may be configured such that emission is directed by the bull's eye on the same pixel. As shown in FIG. 26, baffles 26-226 have gaps along the z-direction to pass emitted light to sensors located in layers 26-230. Baffle materials may be selected for specific optical properties, such as reducing transmission of specific light wavelengths or energies at specific angles of incidence. In some embodiments, the baffle may be formed from multiple layers of materials having different refractive indices. The baffle may include one or more layers of silicon, silicon nitride (Si3N4), silicon, titanium nitride (TiN), and aluminum (Al). Layers configured to form baffles may have a cross-sectional height of about 20 nm, about 20 nm, about 50 nm, about 60 nm, about 70 nm, about 80 nm, or about 90 nm.
フィルタリングコンポーネントが、センサによる励起エネルギーの収集を低減するために導波路とセンサとの間に形成されてもよい。励起エネルギーをフィルタリングするための任意の適切な方法が提供され得る。励起エネルギーをフィルタリングする手法は、光の1つまたは複数の特性に基づくフィルタリングを含んでもよい。そのような特性は、波長および/または偏光を含み得る。フィルタリングコンポーネントは、センサまで発光を通過させる一方、励起エネルギーの散乱を選択的に抑制することができる。図26に示された層26-228は、本明細書に記載された1つまたは複数のフィルタリングコンポーネントを含んでもよい。 A filtering component may be formed between the waveguide and the sensor to reduce collection of excitation energy by the sensor. Any suitable method for filtering the excitation energy may be provided. Techniques for filtering excitation energy may include filtering based on one or more properties of light. Such properties may include wavelength and/or polarization. A filtering component can selectively suppress scattering of excitation energy while passing emission to the sensor. Layers 26-228 shown in FIG. 26 may include one or more filtering components described herein.
一体型デバイスは、1つまたは複数の特徴的な波長の光を反射し、異なる特徴的な波長を有する光の送信を可能にするように構成されている波長フィルターを含んでもよい。いくつかの実施形態では、波長フィルターにより反射される光は、波長フィルターにより送信される光より短い特徴的な波長を有してもよい。マーカーを励起するのに使用される励起エネルギーは、典型的には、励起エネルギーによる励起状態に達する応答においてマーカーにより放射される発光より短い特徴的な波長を有することから、そのような波長フィルターは励起エネルギーを反射し、発光の送信を可能にすることができる。 The integrated device may include wavelength filters configured to reflect light of one or more characteristic wavelengths and to allow transmission of light having different characteristic wavelengths. In some embodiments, the light reflected by the wavelength filter may have a shorter characteristic wavelength than the light transmitted by the wavelength filter. Such wavelength filters are because the excitation energy used to excite the marker typically has a characteristic wavelength shorter than the emission emitted by the marker in response to reaching an excited state with the excitation energy. It can reflect excitation energy and allow transmission of luminescence.
F.センサ
時間ビン情報を取得することができる任意の適切なセンサが、発光マーカーの寿命を検出する測定のために使用されてもよい。例えば、「受信光子の時間的ビニングのための一体型デバイス(INTEGRATED DEVICE FOR TEMPORAL BINNING OF RECEIVED PHOTONS)」と題された米国特許出願第14/821,656号明細書は、光子の到達時間を決定することができるセンサを記載し、その全体が参照により援用される。センサは、各試料ウェルが試料ウェルからの発光を検出するための少なくとも1つのセンサ領域を有するように整列される。いくつかの実施形態では、一体型デバイスは、ガイガーモードアバランシェ光ダイオードアレイおよび/または単一光子アバランシェダイオードアレイ(SPAD:Geiger mode avalanche photodiode arrays and/or single
photon avalanche diode array)を含んでもよい。
F. Sensors Any suitable sensor capable of obtaining time-bin information may be used for measurements that detect the lifetime of luminescent markers. For example, U.S. patent application Ser. No. 14/821,656, entitled "INTEGRATED DEVICE FOR TEMPORAL BINNING OF RECEIVED PHOTONS," describes a photon arrival time determination. describes a sensor that can be used, which is incorporated by reference in its entirety. The sensors are aligned such that each sample well has at least one sensor area for detecting luminescence from the sample well. In some embodiments, the integrated device includes Geiger mode avalanche photodiode arrays and/or single photon avalanche diode arrays (SPAD).
photon avalanche diode array).
本明細書に記載されるのは、入射光子の到達のタイミングを正確に測定する、または「時間ビニングする(time-bin)」ことができ、例えば、核酸の配列決定(例えば、DNA配列決定)などの様々な適用において使用され得る一体型光検出器である。いくつかの実施形態では、一体型光検出器は光子の到達をナノ秒またはピコ秒分解能で測定することができ、入射光子の到達の時間領域分析を容易にすることができる。 Described herein is the ability to precisely measure, or "time-bin", the timing of arrival of incident photons, e.g., in nucleic acid sequencing (e.g., DNA sequencing). is an integrated photodetector that can be used in a variety of applications such as. In some embodiments, the integrated photodetector can measure photon arrivals with nanosecond or picosecond resolution, facilitating time-domain analysis of incident photon arrivals.
いくつかの実施形態は、入射光子に応答して電荷担体を生成し、時間基準(例えば、トリガ事象)に関して電荷担体が入射光子の到達により生成されるタイミングを区別することができる、光検出器を有する集積回路に関する。いくつかの実施形態では、電荷担体分離構造は、異なる時間に生成された電荷担体を分離し、異なる期間内に生成された電荷担体を集める1つまたは複数の電荷担体保管領域(「ビン」と呼ばれる)内へと電荷担体を向かわせる。各ビンは、選択された時間間隔内に生成された電荷担体を保管する。各ビン中に保管された電荷の読み出しは、各時間間隔内に到達した光子数に関する情報を提供することができる。そのような集積回路は、本明細書に記載されたものなど様々な適用のいずれかにおいて使用され得る。 Some embodiments are photodetectors that generate charge carriers in response to incident photons and can distinguish the timing at which charge carriers are generated by the arrival of incident photons with respect to a time reference (e.g., trigger event). It relates to an integrated circuit having In some embodiments, the charge carrier separation structure separates charge carriers generated at different times and includes one or more charge carrier storage areas (“bins”) that collect charge carriers generated within different time periods. directs the charge carriers into the Each bin stores charge carriers generated within a selected time interval. A readout of the charge stored in each bin can provide information on the number of photons that arrived within each time interval. Such integrated circuits may be used in any of a variety of applications such as those described herein.
光検出領域を有する集積回路および電荷担体分離構造の例が記載される。いくつかの実施形態では、集積回路は画素のアレイを含んでもよく、各画素は、以下に論じられるように、1つまたは複数の光検出領域および1つまたは複数の電荷担体分離構造を含んでもよい。図29Aは、いくつかの実施形態による画素29-900の略図を示す。画素29-900は、光子吸収/担体生成領域29-902(光検出領域とも呼ばれる)、担体移動/捕捉領域29-906、本明細書で「電荷担体保管ビン」または簡単に「ビン」とも呼ばれる1つまたは複数の電荷担体保管領域を有する担体保管領域29-908、および電荷担体保管ビンからの読み出しシグナルに対する読み出し回路29-910を含む。 Examples of integrated circuits with photodetection regions and charge carrier separation structures are described. In some embodiments, an integrated circuit may include an array of pixels, each pixel including one or more photodetector regions and one or more charge carrier separation structures, as discussed below. good. FIG. 29A shows a schematic representation of pixels 29-900 according to some embodiments. Pixels 29-900 are also referred to herein as photon absorption/carrier generation regions 29-902 (also called photodetection regions), carrier migration/trapping regions 29-906, "charge carrier storage bins" or simply "bins". It includes a carrier storage area 29-908 having one or more charge carrier storage areas and a readout circuit 29-910 for readout signals from the charge carrier storage bins.
光子吸収/担体生成領域29-902は、入射光子を光生成電荷担体に変換することができる半導体材料(例えば、シリコン)の領域であってもよい。光子吸収/担体生成領域29-902は光に曝露されてもよく、入射光子を受信してもよい。光子が光子吸収/担体生成領域29-902により吸収されるとき、該領域は電子/正孔対などの光生成電荷担体を生成し得る。光生成電荷担体は、本明細書で簡単に「電荷担体」とも呼ばれる。 The photon absorption/carrier generation region 29-902 may be a region of semiconductor material (eg, silicon) capable of converting incident photons into photogenerated charge carriers. Photon absorption/carrier generation regions 29-902 may be exposed to light and may receive incident photons. When photons are absorbed by the photon absorption/carrier generation regions 29-902, the regions can generate photogenerated charge carriers such as electron/hole pairs. Photogenerated charge carriers are also referred to herein simply as "charge carriers".
電場は、光子吸収/担体生成領域29-902内に確立され得る。いくつかの実施形態では、電場は、担体移動/捕捉領域29-906内の変化する電場と区別された、「静的」であってもよい。光子吸収/担体生成領域29-902内の電場は、横方向コンポーネント、縦方向コンポーネント、または横方向および縦方向コンポーネントの両方を含むことができる。電場の横方向コンポーネントは、矢印により示されているように図29Aの下方向にあってもよく、光生成電荷担体を担体移動/捕捉領域106へと駆動する力を誘導する。電場は様々な方法で形成され得る。 An electric field may be established within the photon absorption/carrier generation region 29-902. In some embodiments, the electric field may be "static," as distinguished from the changing electric field within the carrier migration/trapping region 29-906. The electric field within the photon absorption/carrier generation region 29-902 can include a lateral component, a longitudinal component, or both lateral and longitudinal components. A transverse component of the electric field may be in the downward direction in FIG. An electric field can be created in a variety of ways.
いくつかの実施形態では、1つまたは複数の電極が光子吸収/担体生成領域29-902の上に形成されてもよい。電極は、これに電圧を加えて光子吸収/担体生成領域29-902内に電場を確立することができる。そのような電極は「フォトゲート」と呼ぶこともある。いくつかの実施形態では、光子吸収/担体生成領域29-902は、電荷担体が完全に枯渇しているシリコン領域であってもよい。 In some embodiments, one or more electrodes may be formed over the photon absorption/carrier generation regions 29-902. The electrodes can be energized to establish an electric field within the photon absorption/carrier generation region 29-902. Such electrodes are sometimes called "photogates". In some embodiments, the photon absorption/carrier generation regions 29-902 may be silicon regions that are completely depleted of charge carriers.
いくつかの実施形態では、光子吸収/担体生成領域29-902内の電場は、PN接合などの接合により確立されてもよい。光子吸収/担体生成領域29-902の半導体材料は、担体移動/捕捉領域29-906へと光生成電荷担体を駆動する力を誘導する電場を生成する方向および/または形状でPN接合を形成するようにドープされてもよい。いくつかの実施形態では、PN接合ダイオードのP単子は、この電圧を設定する単子に接続されてもよい。そのようなダイオードは、「ピン止め」光ダイオードと呼ばれてもよい。ピン止め光ダイオードは、その電圧を設定し、暗電流を低減することができる担体を引きつける単子により、表面で担体再結合を促すことができる。捕捉されることが望まれる光生成電荷担体は、表面の再結合エリアの下を通過することができる。いくつかの実施形態では、横方向電場は、半導体材料中の段階的ドーピング濃度を用いて確立されてもよい。 In some embodiments, the electric field within photon absorption/carrier generation region 29-902 may be established by a junction, such as a PN junction. The semiconductor material of the photon absorption/carrier generation region 29-902 forms a PN junction in an orientation and/or shape that produces an electric field that induces a force that drives the photogenerated charge carriers into the carrier migration/trapping region 29-906. may be doped as In some embodiments, the P monad of the PN junction diode may be connected to the monad that sets this voltage. Such diodes may be referred to as "pinned" photodiodes. A pinned photodiode can encourage carrier recombination at the surface by monadic attracting carriers that can set its voltage and reduce dark current. Photogenerated charge carriers that are desired to be trapped can pass under the recombination area of the surface. In some embodiments, the lateral electric field may be established using graded doping concentrations in the semiconductor material.
図29Aに例示されているように、光子は捕捉されてもよく、電荷担体29-901A(例えば、電子)は時間t1で生成されてもよい。いくつかの実施形態では、電位勾配は、光子吸収/担体生成領域29-902、および電荷担体29-901Aを図29Aの下方向に移動させる(図29Aに示された矢印により説明されているように)担体移動/捕捉領域29-906に沿って確立されてもよい。ポテンシャル勾配に応答して、電荷担体29-901Aは、時間t1の位置から時間t2の第2の位置、時間t3の第3の位置、時間t4の第4の位置、および時間t5の第5の位置まで移動することができる。電荷担体29-901Aは故に、ポテンシャル勾配に応答して担体移動/捕捉領域29-906へ移動する。 As illustrated in FIG. 29A, photons may be captured and charge carriers 29-901A (eg, electrons) may be generated at time t1. In some embodiments, the potential gradient causes photon absorption/carrier generation regions 29-902 and charge carriers 29-901A to move downward in FIG. 29A (as illustrated by the arrows shown in FIG. 29A). 2) may be established along carrier migration/trapping regions 29-906. In response to the potential gradient, charge carriers 29-901A move from a position at time t1 to a second position at time t2, a third position at time t3, a fourth position at time t4, and a fifth position at time t5. Can move to position. Charge carriers 29-901A thus migrate to carrier migration/trapping regions 29-906 in response to the potential gradient.
担体移動/捕捉領域29-906は半導体領域であってもよい。いくつかの実施形態では、担体移動/捕捉領域29-906は、担体移動/捕捉領域29-906が入射光から保護され得る(例えば、金属層などの、上を覆う不透明な材料により)ことを除いて、光子吸収/担体生成領域29-902(例えば、シリコン)と同じ材料の半導体領域であってもよい。 Carrier migration/trapping regions 29-906 may be semiconductor regions. In some embodiments, the carrier migration/trapping regions 29-906 may be protected from incident light (eg, by an overlying opaque material such as a metal layer). Except, it may be a semiconductor region of the same material as the photon absorption/carrier generation regions 29-902 (eg, silicon).
いくつかの実施形態では、および以下にさらに論じられるように、ポテンシャル勾配は、光子吸収/担体生成領域29-902および担体移動/捕捉領域29-906内で、これらの領域の上に配置された電極により確立されてもよい。しかし、本明細書に記載された手法は、電位勾配を生成するのに使用される電極の特定の位置については限定されない。また、本明細書に記載された手法は、電極を用いる電位勾配の確立にも限定されない。いくつかの実施形態では、電位勾配は、空間段階的ドーピングプロファイルを用いて確立されてもよい。任意の適切な手法が、電荷担体を光子吸収/担体生成領域29-902および担体移動/捕捉領域29-906に沿って移動させる電位勾配を確立するのに使用され得る。 In some embodiments, and as discussed further below, a potential gradient is placed within and over the photon absorption/carrier generation region 29-902 and the carrier migration/trapping region 29-906. It may be established by electrodes. However, the techniques described herein are not limited to specific locations of the electrodes used to generate the potential gradient. Also, the techniques described herein are not limited to establishing a potential gradient using electrodes. In some embodiments, a potential gradient may be established using a spatially graded doping profile. Any suitable technique may be used to establish potential gradients that cause charge carriers to migrate along photon absorption/carrier generation regions 29-902 and carrier migration/trapping regions 29-906.
電荷担体分離構造は、異なる時間に生成された電荷担体を分離できるように画素中に形成され得る。いくつかの実施形態では、電荷担体分離構造の少なくとも一部は、担体移動/捕捉領域29-906の上に形成されてもよい。以下に記載されるように、電荷担体分離構造は、担体移動/捕捉領域29-906の上に形成された1つまたは複数の電極を含むことができ、その電圧は、担体移動/捕捉領域29-906の電位を変える制御回路により制御され得る。 A charge carrier separation structure may be formed in the pixel to separate charge carriers generated at different times. In some embodiments, at least a portion of the charge carrier separation structure may be formed over the carrier migration/trapping regions 29-906. As described below, the charge carrier separation structure can include one or more electrodes formed over the carrier migration/trapping regions 29-906, the voltage of which is applied to the carrier migration/trapping regions 29-906. It can be controlled by a control circuit that changes the potential of -906.
担体移動/捕捉領域29-906の電位は、電荷担体を捕捉できるように変えられ得る。ポテンシャル勾配は、担体移動/捕捉領域29-906を覆う1つまたは複数の電極の電圧を変えて、担体を所定の空間領域に限局することができる電位バリアを生成することにより変えられ得る。例えば、図29Aの担体移動/捕捉領域29-906の破線を覆う電極の電圧は、図29Aの担体移動/捕捉領域29-906の破線に沿って電位バリアを作り、これにより電荷担体29-901Aを捕捉するように時間t5で変えられてもよい。図29Aに示されているように、時間t5で捕捉された担体は、担体保管領域29-908のビン「ビン0」へ移され得る。電荷担体保管ビンへの担体の移動は、担体移動/捕捉領域29-906および/または担体保管領域29-908内の電位を変えて(例えば、これらの領域を覆う電極の電圧を変えて)担体を電荷担体保管ビンへ移動させることにより行われてもよい。
The potential of carrier migration/trapping regions 29-906 can be varied to trap charge carriers. The potential gradient can be altered by varying the voltage of one or more electrodes over the carrier migration/trapping region 29-906 to create potential barriers that can confine carriers to predetermined spatial regions. For example, the voltage on the electrode overlying the dashed line of carrier migration/trapping region 29-906 in FIG. 29A creates a potential barrier along the dashed line of carrier migration/trapping region 29-906 in FIG. may be changed at time t5 to capture As shown in FIG. 29A, carriers captured at time t5 may be transferred to bin "
担体移動/捕捉領域29-906の所定の空間領域内の電位を特定の時点で変えることにより、特定の時間間隔内に生じた光子吸収により生成された担体の限局が可能になり得る。異なる時間および/または位置で光生成電荷担体を限局することにより、電荷担体が光子吸収により生成された時間が判別され得る。この意味において、電荷担体は、トリガ事象の発生後、電荷担体を特定の時点および/または空間で限局することにより「時間ビニング」され得る。特定のビン内の電荷担体の時間ビニングは、光生成電荷担体が入射光子の吸収により生成された時間、および故に同じく、トリガ事象に関する「時間ビン」、光生成電荷担体を生成した入射光子の到達に関する情報を提供する。 Varying the potential within a given spatial region of carrier migration/trapping region 29-906 at a particular time can allow localization of carriers generated by photon absorption that occurs within a particular time interval. By localizing the photogenerated charge carriers at different times and/or positions, the time at which the charge carriers were generated by photon absorption can be determined. In this sense, charge carriers can be "time-binned" by localizing the charge carriers at a particular point in time and/or space after the occurrence of a triggering event. The time binning of the charge carriers within a particular bin is the time at which the photogenerated charge carrier was generated by absorption of an incident photon, and thus also the "time bin" for the triggering event, the arrival of the incident photon that generated the photogenerated charge carrier. provide information about
図29Bは、異なる時点および空間での電荷担体の捕捉を説明する。図29Bに示されているように、担体移動/捕捉領域29-906の破線を覆う電極の電圧は、図29Bの担体移動/捕捉領域106の破線に沿って電位バリアを作り、これにより担体29-901Bを捕捉するように時間t9で変えられてもよい。図29Bに示されているように、時間t9で捕捉された担体は、担体保管領域29-908のビン「ビン1」へ移され得る。電荷担体29-901Bは時間t9で限局されることから、該担体は、時間t5で捕捉される担体29-901Aに関する光子吸収事象(すなわち、t1)と異なる時間(すなわち、時間t6)で発生した光子吸収事象を表す。 FIG. 29B illustrates charge carrier trapping at different times and spaces. As shown in FIG. 29B, the voltage on the electrode overlying the dashed line of carrier migration/trapping region 29-906 creates a potential barrier along the dashed line of carrier migration/trapping region 106 in FIG. It may be changed at time t9 to acquire -901B. As shown in FIG. 29B, the captured carriers at time t9 can be transferred to bin "bin 1" of carrier storage area 29-908. Since charge carrier 29-901B is localized at time t9, it occurred at a different time (ie, time t6) than the photon absorption event (ie, t1) for carrier 29-901A captured at time t5. represents a photon absorption event.
複数の測定を行うこと、および電荷担体が捕捉される時間に基づき担体保管領域29-908の電荷担体保管ビン中の電荷担体を集めることにより、光子吸収/担体生成エリア29-902で光子が捕捉される時間に関する情報を提供することができる。そのような情報は、上で論じられているように様々な適用において有用であり得る。 Photons are captured in the photon absorption/carrier generation area 29-902 by taking multiple measurements and collecting charge carriers in charge carrier storage bins of the carrier storage area 29-908 based on the time the charge carriers are captured. can provide information about the time Such information can be useful in various applications as discussed above.
いくつかの実施形態では、励起パルス後にビンが捕捉するたびに経過時間は異なってもよい。例えば、より短い時間ビンは、励起パルスの直後に発光を検出するのに使用され得、一方、より長い時間ビンは、励起パルスから離れた時間に使用され得る。時間ビン間隔を変えることにより、各時間ビンと関連付けられた電気信号を測定するためのシグナル対ノイズ比は、所与のセンサについて改善され得る。光子放射事象の確率は、励起パルスの直後により高いことから、この時間内の時間ビンは、検出するより多くの光子の電位を説明するのにより短い時間間隔を有する。より長い時間の間に光子放射の確率は低くなり得、光子のより少ない電位数を説明するのに、この時間内で検出する時間ビンはより長くなり得る。いくつかの実施形態では、著しく長い経過時間を有する時間ビンが複数の寿命を区別するのに使用されてもよい。例えば、時間ビンの大多数は約0.1~0.5nsの範囲の時間間隔を捕捉し得、一方、ある時間ビンは約2~5nsの時間間隔を捕捉し得る。時間ビンの数および/または各ビンの時間間隔は、試料物体から放射された光子を検出するのに使用されるセンサに依存し得る。各ビンの時間間隔の決定は、試料を分析するのに使用される発光マーカーを区別する、センサにより提供される時間ビンの数に対して必要とされる時間間隔を識別する工程を含む場合がある。記録されたヒストグラムの分布は、類似した条件下のマーカーおよび試料ウェル中のマーカーのタイプを識別する時間ビンの既知のヒストグラムと比較され得る。本出願の異なる実施形態はマーカーの寿命を測定することができるが、マーカーを励起するのに使用される励起エネルギー、各画素中のセンサ領域の数、および/またはセンサにより検出される波長において異なる可能性がある。 In some embodiments, the elapsed time may be different for each bin acquisition after the excitation pulse. For example, shorter time bins can be used to detect luminescence immediately after the excitation pulse, while longer time bins can be used at times away from the excitation pulse. By varying the time bin spacing, the signal-to-noise ratio for measuring the electrical signal associated with each time bin can be improved for a given sensor. Since the probability of a photon emission event is higher immediately after the excitation pulse, time bins within this time have shorter time intervals to account for the potential of more photons to detect. During longer times the probability of photon emission may be lower and the time bins to detect within this time may be longer to account for the lower potential number of photons. In some embodiments, time bins with significantly longer elapsed times may be used to distinguish multiple lifetimes. For example, a majority of the time bins may capture time intervals in the range of approximately 0.1-0.5 ns, while some time bins may capture time intervals of approximately 2-5 ns. The number of time bins and/or the time interval between each bin may depend on the sensor used to detect photons emitted from the sample object. Determining the time interval for each bin may include identifying the time interval required for the number of time bins provided by the sensor that distinguish the luminescent markers used to analyze the sample. be. The distribution of recorded histograms can be compared to known histograms of markers under similar conditions and time bins that identify the type of marker in sample wells. Different embodiments of the present application can measure the lifetime of markers, but differ in the excitation energy used to excite the markers, the number of sensor areas in each pixel, and/or the wavelengths detected by the sensors. there is a possibility.
III.励起源
いくつかの実施形態によれば、1つ以上の励起源は、一体型デバイスの外部に位置してもよく、試料ウェルを有する一体型デバイスに光のパルスを送達するように配置されてもよい。例えば、2015年5月20日に出願された「PULSED LASER」と題される米国仮特許出願第62/164,485号、および2016年3月18日に出願された「PULSED LASER」と題する米国仮特許出願第62/310,398号は、各々その全体を援用される、励起源として使用され得るパルスのレーザー光源の例を記載する。光のパルスを、複数の試料ウェルにカップリングして、例えば、ウェル内の1つ以上のマーカーを励起するために使用してもよい。1つ以上の励起源は、いくつかの実施態様によれば、1つ以上の特徴的な波長の光のパルスを送達し得る。いくつかの場合において、励起源は、一体型デバイスが装填され得るベース機器内に取り付けられるか、またはカップリングされる交換可能なモジュールとしてパッケージされてもよい。励起源からのエネルギーは、少なくとも1つの試料ウェルに、または少なくとも1つの試料ウェルの少なくとも1つの試料に、放射性に送達されても、または非放射性に送達されてもよい。いくつかの実施形態では、制御可能な強度を有する励起源を、一体型デバイスの複数の画素に励起エネルギーを送達するように配置してもよい。画素は、線形アレイ(例えば、行または列)、または2Dアレイ(例えば、画素のアレイのサブエリアまたは画素の完全なアレイ)に配置されてもよい。
III. Excitation Sources According to some embodiments, one or more excitation sources may be located external to the integrated device and arranged to deliver pulses of light to the integrated device with the sample well. good too. For example, U.S. Provisional Patent Application No. 62/164,485, entitled "PULSED LASER," filed May 20, 2015, and U.S. Provisional Patent Application No. 62/310,398 describes examples of pulsed laser light sources that can be used as excitation sources, each of which is incorporated by reference in its entirety. A pulse of light may be coupled to multiple sample wells and used, for example, to excite one or more markers within the wells. One or more excitation sources may deliver pulses of light of one or more characteristic wavelengths, according to some embodiments. In some cases, the excitation source may be packaged as an interchangeable module that is mounted or coupled into a base instrument into which the integrated device can be loaded. Energy from the excitation source may be delivered radiatively or non-radiatively to at least one sample well or to at least one sample of at least one sample well. In some embodiments, an excitation source with controllable intensity may be arranged to deliver excitation energy to multiple pixels of the integrated device. The pixels may be arranged in linear arrays (eg, rows or columns) or 2D arrays (eg, sub-areas of an array of pixels or a complete array of pixels).
任意の適切な光源を励起源として使用してもよい。いくつかの実施形態は、インコヒーレントな光源を使用してもよく、他の実施形態は、コヒーレントな光源を使用してもよい。非限定的な例として、いくつかの実施形態によるインコヒーレント光源としては、有機LED(OLED)、量子ドット(QLED)、ナノワイヤLED、および(非)有機半導体LEDなどの異なる種類の発光ダイオード(LED)が挙げられる。非限定的な例として、いくつかの実施形態によるコヒーレント光源は、半導体レーザー(例えば、垂直共振器面発光レーザー(VCSEL)、エッジ放射レーザー、および分布帰還(DFB)レーザダイオードなど)の異なる種類のレーザーを含んでもよい。さらに、またはこれに代えて、スラブ結合光導波路レーザー(SCOWL)または他の非対称単一モード導波路構造を使用してもよい。いくつかの実施態様では、コヒーレント光源は、有機レーザー、量子ドットレーザー、および固体レーザー(例えば、レーザダイオードまたはフラッシュランプによって励起されるNd:YAGまたはND:ガラスレーザ)を備えてもよい。いくつかの実施形態では、レーザダイオード励起ファイバレーザを使用してもよい。コヒーレント光源は、超短パルスを生成するために受動的にモード同期されてもよい。一体型デバイス上の画素のアレイに対して複数の種類の励起源が存在してもよい。いくつかの実施形態では、異なる種類の励起源を組み合わせてもよい。励起源は、選択された種類の励起源を作成するために使用される従来の技術に従って作成されてもよい。 Any suitable light source may be used as the excitation source. Some embodiments may use incoherent light sources and other embodiments may use coherent light sources. By way of non-limiting example, incoherent light sources according to some embodiments include different types of light emitting diodes (LED ). As a non-limiting example, coherent light sources according to some embodiments can be of different types of semiconductor lasers, such as vertical cavity surface emitting lasers (VCSELs), edge emitting lasers, and distributed feedback (DFB) laser diodes. May include a laser. Additionally or alternatively, a slab-coupled optical waveguide laser (SCOWL) or other asymmetric single-mode waveguide structure may be used. In some implementations, coherent light sources may comprise organic lasers, quantum dot lasers, and solid state lasers (eg, Nd:YAG or ND:glass lasers pumped by laser diodes or flash lamps). In some embodiments, a laser diode-pumped fiber laser may be used. A coherent light source may be passively mode-locked to generate ultrashort pulses. There may be multiple types of excitation sources for the array of pixels on the integrated device. In some embodiments, different types of excitation sources may be combined. The excitation source may be made according to conventional techniques used to make the selected type of excitation source.
導入の方法として、本発明を限定することなく、コヒーレント光源の配置の例を図30Aに示す。この図は、超短パルスレーザ励起源30-110を励起源として備え得る、分析機器30~100を図示している。超短パルスレーザ30-110は、利得媒質30-105(いくつかの実施形態では、固体材料であり得る)、利得媒質を励起するポンプ源(表示せず)、および少なくとも2つのキャビティミラー30-102、30-104(光学レーザキャビティの端部を画定している)を備えてもよい。いくつかの実施形態では、ビーム成形、波長選択、および/またはパルス形成の目的で、レーザキャビティ内に1つ以上の追加の光学素子が存在してもよい。動作時に、パルスレーザ励起源30-110は、キャビティの端部ミラー30-102,30-104の間でレーザキャビティ内を前後に、そして利得媒質30-105を通って循環する超短光学パルス30-120を生成し得る。キャビティミラー30-104のうちの1つは、循環パルスの一部を部分的に透過し得、光学パルス30-122の列が、パルスレーザ30-110から、光学構成要素および一体型デバイスなどの後続の構成要素30-160に放射される。放射されたパルスは、ビームウエストwによって特徴付けられるビーム(点線で示される)を掃引し得る。放射されたパルス30-122の測定された時間的な強度プロファイルは、図30Bに示されるように現れる場合がある。 By way of introduction and without limiting the invention, an example of a coherent light source arrangement is shown in FIG. 30A. This figure illustrates analytical instruments 30-100, which may include an ultrashort pulse laser excitation source 30-110 as an excitation source. The ultrashort pulse laser 30-110 includes a gain medium 30-105 (which can be a solid-state material in some embodiments), a pump source (not shown) that excites the gain medium, and at least two cavity mirrors 30-105. 102, 30-104 (defining the ends of the optical laser cavity). In some embodiments, there may be one or more additional optical elements within the laser cavity for beam shaping, wavelength selection, and/or pulse shaping purposes. In operation, the pulsed laser excitation source 30-110 emits ultrashort optical pulses 30 that circulate back and forth within the laser cavity between the cavity end mirrors 30-102, 30-104 and through the gain medium 30-105. -120 can be generated. One of the cavity mirrors 30-104 may partially transmit a portion of the circulating pulse, and the train of optical pulses 30-122 passes from the pulsed laser 30-110 to optical components and integrated devices, etc. It radiates to subsequent components 30-160. The emitted pulse can sweep the beam (indicated by the dashed line) characterized by the beam waist w. The measured temporal intensity profile of emitted pulse 30-122 may appear as shown in FIG. 30B.
いくつかの実施形態では、放射されたパルスのピーク強度値はほぼ等しくてもよく、このプロファイルはガウス時間プロファイルを有してもよいが、他のプロファイル、例えば、sechプロファイルも可能である。ある場合には、パルスは、対称時間プロファイルを有さない場合があり、他の時間形状を有してもよい。いくつかの実施形態では、利得および/または損失のダイナミクスによって、非対称プロファイルを有するパルスが生じ得る。各パルスの持続時間は、図30Bに示すように、半値全幅(FWHM)値によって特徴付けてもよい。超短光学パルスは、100ピコ秒未満のFWHM値を有してもよい。 In some embodiments, the peak intensity values of the emitted pulses may be approximately equal, and the profile may have a Gaussian temporal profile, although other profiles are possible, eg, a sech profile. In some cases the pulse may not have a symmetrical temporal profile and may have other temporal shapes. In some embodiments, gain and/or loss dynamics can result in pulses with asymmetric profiles. The duration of each pulse may be characterized by a full width at half maximum (FWHM) value, as shown in FIG. 30B. Ultrashort optical pulses may have FWHM values of less than 100 picoseconds.
レーザー励起源から放射するパルスは、規則的間隔Tで隔てられ得る。いくつかの実施形態では、Tは、レーザーにおける能動利得および/または損失変調速度によって決定されてもよい。モード同期レーザーの場合、Tは、キャビティ端部ミラー30-102、30-104の間の往復移動時間によって決定されてもよい。いくつかの実施形態によれば、パルス分離時間Tは、約1ns~約100nsの間であってもよい。場合によっては、パルス分離時間Tは、約0.1ns~約1nsの間であってもよい。いくつかの実施態様では、パルス分離時間Tは、約100ns~約2μsの間であってもよい。 Pulses emanating from a laser excitation source may be separated by regular intervals T. In some embodiments, T may be determined by the active gain and/or loss modulation rate in the laser. For mode-locked lasers, T may be determined by the round trip time between cavity end mirrors 30-102, 30-104. According to some embodiments, pulse separation time T may be between about 1 ns and about 100 ns. In some cases, pulse separation time T may be between about 0.1 ns and about 1 ns. In some implementations, the pulse separation time T may be between about 100 ns and about 2 μs.
いくつかの実施形態では、光学系30-140は、レーザー励起源30-110からのパルスのビーム30-122に対して動作し得る。例えば、光学系は、ビームを形状変更するか、および/またはビームの発散を変更するための1つ以上のレンズを備えてもよい。ビームの形状変更には、ビームウエストの値を増大もしくは減少させる工程、および/またはビームの断面形状を変更する工程(例えば、楕円形から円形、円形から楕円形など)を備えてもよい。ビームの発散を変更する工程は、ビーム束を収束させる工程または発散させる工程を備えてもよい。いくつかの実施態様では、光学系30-140は、ビームエネルギーの量を変更するための減衰器または増幅器を備えてもよい。場合によっては、光学系は、波長フィルタリングを備えてもよい。いくつかの実施態様では、光学系は、パルス成形要素、例えば、パルス伸張器および/またはパルス圧縮器を備えてもよい。いくつかの実施形態では、光学系は、パルス長を低減するための可飽和吸収体のような、1つ以上の非線形光学素子を備えてもよい。いくつかの実施形態によれば、光学系30-140は、レーザー励起源30-110からのパルスの偏光を変更する1つ以上の要素を備えてもよい。 In some embodiments, the optical system 30-140 may operate on a pulsed beam 30-122 from a laser excitation source 30-110. For example, the optics may comprise one or more lenses for reshaping the beam and/or changing the divergence of the beam. Reshaping the beam may comprise increasing or decreasing the value of the beam waist and/or changing the cross-sectional shape of the beam (eg, elliptical to circular, circular to elliptical, etc.). Altering the divergence of the beam may comprise converging or diverging the beam bundle. In some embodiments, optics 30-140 may include attenuators or amplifiers to change the amount of beam energy. In some cases, the optics may include wavelength filtering. In some implementations, the optical system may comprise pulse shaping elements, such as pulse stretchers and/or pulse compressors. In some embodiments, the optical system may comprise one or more nonlinear optical elements, such as saturable absorbers to reduce pulse length. According to some embodiments, optical system 30-140 may comprise one or more elements that alter the polarization of pulses from laser excitation source 30-110.
いくつかの実施態様では、光学系30-140は、励起源30-110からの出力波長を、周波数倍化を介してより短い波長に、またはパラメトリック増幅を介してより長い波長に変換するための非線形結晶を備えてもよい。例えば、レーザーの出力は、非線形結晶(例えば、周期的にポーリングされたニオブ酸リチウム(PPLN))または他の非ポーリング非線形結晶において周波数倍化されてもよい。そのような周波数倍化プロセスは、より効率的なレーザーが、選択されたフルオロフォアの励起に関してさらに適切な波長を生成することを可能にし得る。 In some embodiments, optical system 30-140 is used to convert the output wavelength from pump source 30-110 to a shorter wavelength via frequency doubling or to a longer wavelength via parametric amplification. A nonlinear crystal may be provided. For example, the output of a laser may be frequency doubled in a nonlinear crystal (eg, periodically poled lithium niobate (PPLN)) or other non-poled nonlinear crystal. Such a frequency doubling process may allow more efficient lasers to produce wavelengths more suitable for excitation of the selected fluorophore.
「特徴的な波長」または「波長」という句は、励起源によって生成される限定された照射の帯域幅内の中心波長または主波長を指してもよい。ある場合には、これは、励起源によって生成された照射の帯域幅内のピーク波長を指してもよい。励起源の特徴的な波長は、例えば、生物学的分析デバイスで使用される発光マーカーまたはプローブの選択に基づいて選択されてもよい。いくつかの実施態様では、励起エネルギー源の特徴的な波長を、選択されたフルオロフォアの直接励起(例えば、単一光子励起)について選択する。いくつかの実施態様では、励起源の特徴的な波長を、間接励起(例えば、多光子励起または直接励起を提供する波長への高調波変換)のために選択する。いくつかの実施形態では、励起照射は、試料ウェルへの適用のために特定の波長で励起エネルギーを生成するように構成されている光源によって生成されてもよい。いくつかの実施形態では、励起源の特徴的な波長は、試料からの対応する放射の特徴的な波長よりも小さくてもよい。例えば、励起源は、500nmと700nmの間の特徴的な波長(例えば、515nm、532nm、563nm、594nm、612nm、632nm、647nm)を有する照射を放射し得る。いくつかの実施形態では、励起源は、例えば、532nmおよび593nmのような2つの異なる波長を中心とする励起エネルギーを提供し得る。 The phrase "characteristic wavelength" or "wavelength" may refer to the central or dominant wavelength within the limited bandwidth of illumination produced by the excitation source. In some cases this may refer to the peak wavelength within the bandwidth of the illumination produced by the excitation source. A characteristic wavelength of the excitation source may be selected, for example, based on the selection of luminescent markers or probes used in the biological analysis device. In some embodiments, a characteristic wavelength of the excitation energy source is selected for direct excitation (eg, single-photon excitation) of the selected fluorophore. In some embodiments, a characteristic wavelength of the excitation source is selected for indirect excitation (eg, multiphoton excitation or harmonic conversion to a wavelength that provides direct excitation). In some embodiments, the excitation radiation may be produced by a light source configured to produce excitation energy at specific wavelengths for application to the sample well. In some embodiments, the characteristic wavelength of the excitation source may be smaller than the characteristic wavelength of the corresponding emission from the sample. For example, the excitation source may emit radiation having a characteristic wavelength between 500 nm and 700 nm (eg 515 nm, 532 nm, 563 nm, 594 nm, 612 nm, 632 nm, 647 nm). In some embodiments, the excitation source may provide excitation energy centered at two different wavelengths, such as 532 nm and 593 nm, for example.
いくつかの実施形態では、発光マーカーの放射寿命を測定するために、パルス励起源を使用して発光マーカーを励起してもよい。これは、放射色または波長ではなく、放射寿命に基づいて発光マーカーを識別するのに有用であり得る。一例として、パルス励起源は、マーカーの寿命を決定するために使用される後続の光子放射事象を生成し検出するために、発光マーカーを周期的に励起し得る。発光マーカーの寿命測定は、励起源からの励起パルスが、ピークのパルス電力または強度から発光マーカーの寿命よりも短い時間にわたって、より低い(例えば、ほぼ消滅した)パワーまたは強度へ遷移するとき、可能であり得る。このことは、発光マーカーの寿命が評価されているとき、励起後段階の間に発光マーカーが再励起しないように励起パルスが迅速に終了する場合は、有益であり得る。限定ではなく一例として、パルス電力は、250ピコ秒後にピーク電力よりも約20dB、約40dB、約80dB、または約120dB低下し得る。いくつかの実施態様では、パルス電力は、100ピコ秒後にピーク電力よりも約20dB、約40dB、約80dB、または約120dB低下し得る。 In some embodiments, a pulsed excitation source may be used to excite the luminescent marker in order to measure the radiative lifetime of the luminescent marker. This can be useful for identifying luminescent markers based on their radiative lifetime rather than their emission color or wavelength. As an example, a pulsed excitation source can periodically excite a luminescent marker to generate and detect subsequent photon emission events used to determine the lifetime of the marker. A lifetime measurement of a luminescent marker is possible when the excitation pulse from the excitation source transitions from a peak pulse power or intensity to a lower (e.g., nearly extinguished) power or intensity for a time period shorter than the lifetime of the luminescent marker. can be This can be beneficial if the excitation pulse is terminated quickly to avoid re-excitation of the luminescent marker during the post-excitation phase when the lifetime of the luminescent marker is being evaluated. By way of example and not limitation, the pulse power may drop about 20 dB, about 40 dB, about 80 dB, or about 120 dB below the peak power after 250 picoseconds. In some implementations, the pulse power may drop about 20 dB, about 40 dB, about 80 dB, or about 120 dB below the peak power after 100 picoseconds.
発光マーカーを励起するために超短励起パルスを使用することのさらなる利点は、マーカーの光退色を低減することである。連続した励起エネルギーをマーカーに加えることは、経時的に発光マーカーを退色および/または損傷させ得る。励起源のピークパルス電力が、連続曝露でマーカーを急速に損傷するレベルよりもかなり高い場合でさえ、超短パルスを使用すると、マーカーが励起エネルギーによって損傷されるまでの時間および有用な測定値の数が増大する可能性がある。 A further advantage of using ultrashort excitation pulses to excite luminescent markers is to reduce photobleaching of the markers. Applying continuous excitation energy to the marker can fade and/or damage the luminescent marker over time. Even when the peak pulse power of the excitation source is well above the level at which continuous exposure would rapidly damage the marker, the use of ultrashort pulses reduces the time before the marker is damaged by the excitation energy and the useful measurement. number may increase.
発光マーカーの寿命を見分けるためにパルス励起源を使用する場合、励起エネルギーのパルス間の時間は、各励起パルス後の放射事象を観察し評価するために、マーカーの最長寿命程度の長さであっても、それより長くてもよい。例えば、励起パルス間の時間間隔T(図30Bを参照のこと)は、検査されたフルオロフォアのいずれの放射寿命よりも長くてもよい。この場合、前のパルス由来の励起されたフルオロフォアが蛍光を発するのに妥当な時間になる前に、後続のパルスが到着しない場合もある。いくつかの実施形態では、間隔Tは、励起パルスの終了後および次の励起パルスの前に、フルオロフォアを励起する励起パルスと、フルオロフォアによって放射される次の光子との間の時間を決定するために十分長い必要がある。 When using a pulsed excitation source to discern the lifetime of a luminescent marker, the time between pulses of excitation energy should be as long as the longest lifetime of the marker in order to observe and evaluate the emission events after each excitation pulse. or longer. For example, the time interval T (see FIG. 30B) between excitation pulses can be longer than the radiative lifetime of any of the fluorophores examined. In this case, the subsequent pulse may not arrive before the excited fluorophore from the previous pulse has had a reasonable time to fluoresce. In some embodiments, the interval T determines the time between an excitation pulse that excites the fluorophore and the next photon emitted by the fluorophore after the end of the excitation pulse and before the next excitation pulse. must be long enough to
励起パルスの間の間隔Tは、フルオロフォアの減衰特性を観察するのに十分な長さでなければならないが、Tは、短時間で多くの測定を行うのに十分短いことも望ましい。限定ではなく例として、いくつかの用途で使用されるフルオロフォアの放射寿命は、約100ピコ秒~約10ナノ秒の範囲であり得る。したがって、そのような寿命を検出および/または見分けるために使用される励起パルスは、約25ピコ秒~約2ナノ秒の範囲の持続時間(FWHM)を有してもよく、約20MHz~約1GHzの範囲のパルス繰り返し率で提供されてもよい。 The interval T between excitation pulses should be long enough to observe the decay properties of the fluorophore, but it is also desirable that T be short enough to make many measurements in a short time. By way of example and not limitation, fluorophores used in some applications may have radiative lifetimes ranging from about 100 picoseconds to about 10 nanoseconds. Accordingly, excitation pulses used to detect and/or discern such lifetimes may have durations (FWHM) in the range of about 25 picoseconds to about 2 nanoseconds, and are about 20 MHz to about 1 GHz. may be provided with a pulse repetition rate in the range of .
さらに詳細には、寿命測定のためのパルス励起源を生成するために励起エネルギーを変調するための任意の適切な技術を使用してもよい。レーザーなどの励起源の直接変調は、励起源の電気駆動シグナルを変調して、放射される電力がパルスの形態になるようにする工程を包含し得る。光学ポンピングパワーを含む光源の入力電力、および利得領域の一部からの励起状態担体注入および/または担体除去を、利得媒質の利得に影響を及ぼすように変調して、動的利得の成形を通じて励起エネルギーのパルスの形成を可能にしてもよい。さらに、光学共振器の品質(Q)係数は、Qスイッチ技術を使用してパルスを形成するための様々な手段によって変調されてもよい。そのようなQスイッチ技術は、能動的であっても、および/または受動的であってもよい。レーザーの共振キャビティの長手方向モードは、モード同期を通じて放射光の一連のパルスを生成するために位相ロックされてもよい。そのようなモード同期技術は、能動的であっても、および/または受動的であってもよい。レーザキャビティは、担体密度の変調、およびその部分の吸収損失の制御を可能にする別個の吸収セクションを備えてもよく、これによって、励起パルスを成形するための追加の機構が提供される。いくつかの実施形態では、光学変調器を使用して、連続波(CW)光のビームを励起エネルギーのパルスの形態に変調してもよい。他の実施形態では、励起源にカップリングされた音響光学変調器(AOM)に送られるシグナルを使用して、出力された光の偏向、強度、周波数、位相および/または偏光を変化させて、パルス励起エネルギーを生成してもよい。AOMは、連続波ビーム走査、Q-スイッチング、および/またはモード同期のために使用してもよい。上記の技術は、パルスの励起源を生成するために記載されているが、パルス励起源を生成するための任意の適切な方法を、発光マーカーの寿命を測定するために使用してもよい。 More specifically, any suitable technique for modulating the excitation energy to generate a pulsed excitation source for lifetime measurements may be used. Direct modulation of an excitation source, such as a laser, can involve modulating the electrical drive signal of the excitation source so that the emitted power is in the form of pulses. The input power of the light source, including the optical pump power, and the excited state carrier injection and/or carrier removal from a portion of the gain region are modulated to affect the gain of the gain medium for pumping through dynamic gain shaping. It may allow the formation of pulses of energy. Additionally, the quality (Q) factor of the optical resonator may be modulated by various means for shaping pulses using Q-switching techniques. Such Q-switching techniques may be active and/or passive. Longitudinal modes of the laser's resonant cavity may be phase-locked to produce a train of pulses of emitted light through mode-locking. Such mode-locking techniques may be active and/or passive. The laser cavity may comprise a separate absorbing section that allows modulation of the carrier density and control of absorption losses in that section, providing an additional mechanism for shaping the excitation pulse. In some embodiments, an optical modulator may be used to modulate a beam of continuous wave (CW) light into pulses of excitation energy. In other embodiments, a signal sent to an acousto-optic modulator (AOM) coupled to the excitation source is used to change the polarization, intensity, frequency, phase and/or polarization of the output light to Pulsed excitation energy may be generated. AOMs may be used for continuous wave beam scanning, Q-switching, and/or mode-locking. Although the above techniques are described for generating a pulsed excitation source, any suitable method for generating a pulsed excitation source may be used to measure the lifetime of a luminescent marker.
いくつかの実施形態では、寿命測定に適したパルス励起源を形成するための技術は、光子放射を駆動する入力電気信号の変調を含み得る。いくつかの励起源(例えば、ダイオードレーザおよびLED)は、入力電流などの電気信号を、光シグナルに変換する。光シグナルの特徴は、電気信号の特徴に依存し得る。パルス光シグナルを生成する際に、電気信号は、可変光シグナルを生成するために経時的に変化してもよい。特定の波形を有するように電気信号を変調することにより、特定の波形を有する光学シグナルを生成してもよい。電気信号は、ある一定の周波数を有する正弦波形を有してもよく、結果として得られる光パルスは、周波数に関連する時間間隔内で生じ得る。例えば、500MHzの周波数を有する電気信号は、2ナノ秒毎にパルスを有する光シグナルを生成し得る。別個のパルス励起源によって生成された結合ビームは、互いに類似していても異なっていても、1mm未満の相対的な光路差を有してもよい。 In some embodiments, techniques for forming a pulsed excitation source suitable for lifetime measurements may involve modulation of an input electrical signal that drives photon emission. Some excitation sources (eg, diode lasers and LEDs) convert electrical signals, such as input current, into optical signals. Characteristics of the optical signal may depend on characteristics of the electrical signal. When generating a pulsed light signal, the electrical signal may change over time to generate a variable light signal. An optical signal having a particular waveform may be produced by modulating the electrical signal to have a particular waveform. The electrical signal may have a sinusoidal waveform with a certain frequency, and the resulting light pulses may occur within a time interval related to the frequency. For example, an electrical signal with a frequency of 500 MHz can produce an optical signal with a pulse every 2 nanoseconds. The combined beams produced by separate pulsed excitation sources may be similar or different from each other and may have relative optical path differences of less than 1 mm.
レーザダイオードなどのいくつかの励起源では、電気信号は、担体密度を変化させ、電子と正孔対との再結合を通じて光子が生成される。担体密度は、光シグナルに関連し、その結果、担体密度が閾値を上回るとき、相当な数のコヒーレント光子が誘導放出によって生成される。レーザダイオードに供給される電流は、電子または担体をデバイスに注入し、それによって担体密度を増大させ得る。担体密度が閾値を上回る場合、光子は、担体に供給される電流よりも速い速度で生成され得、したがって、担体密度が閾値未満に低下し、光子生成が減少する。光子生成が減少すれば、継続した電流注入および光子の吸収に起因して、担体密度は再び増大し始め、最終的に閾値を再び上回って増大する。このサイクルは、光子生成のための閾値付近の担体密度の振動をもたらし、これが発振光シグナルを生じる。緩和振動として知られているこれらの動態は、担体密度の振動に起因して光シグナルにアーチファクトを引き起こし得る。電流が最初にレーザーに供給されるとき、担体密度の振動に起因して光シグナルが安定電力に達する前に、振動が存在してもよい。パルス励起源を形成するとき、担体密度の振動は、パルス光シグナルのアーチファクトを導入し得る。このような緩和振動によるアーチファクトは、励起シグナルが発光マーカーによって放射された光子と重複し得るので、パルス光シグナルを広げ、および/または光シグナルにテールを生成し、そのようなパルス光源によって検出され得る寿命を制限し得る。 In some excitation sources, such as laser diodes, an electrical signal changes the carrier density, producing photons through recombination of electron-hole pairs. Carrier density is related to the optical signal, such that when the carrier density exceeds a threshold, a significant number of coherent photons are produced by stimulated emission. Current supplied to the laser diode can inject electrons or carriers into the device, thereby increasing the carrier density. If the carrier density is above the threshold, photons can be produced at a faster rate than the current supplied to the carriers, thus decreasing the carrier density below the threshold and reducing photon production. As photon production decreases, due to continued current injection and photon absorption, the carrier density starts to increase again and eventually increases above the threshold again. This cycle results in an oscillation of the carrier density near the threshold for photon generation, which gives rise to an oscillating optical signal. These dynamics, known as relaxation oscillations, can cause artifacts in the optical signal due to carrier density oscillations. When current is first supplied to the laser, there may be oscillations before the optical signal reaches a steady power due to oscillations in the carrier density. When forming a pulsed excitation source, carrier density oscillations can introduce artifacts in the pulsed light signal. Artifacts due to such relaxation oscillations broaden and/or create tails in the pulsed light signal, as the excitation signal can overlap with photons emitted by the luminescent marker, and are detected by such pulsed light sources. can limit the lifespan obtained.
いくつかの実施形態では、励起パルスの持続時間を短くする技術を使用して、発光マーカーを検出し、それによって発光マーカーに対する退色および他の損傷を低減または遅延させるのに必要な励起エネルギーを低減し得る。励起パルスの持続時間を短くする技術を使用して、より短い寿命の検出を可能にすることができる、励起パルスの最大値またはピークの後の励起エネルギーの電力および/または強度を低減してもよい。このような技術は、ピーク電力後の励起電力を低減するために、励起源を電気的に駆動し得る。電気駆動シグナルは、ピークパルスの後に可能な限り迅速に励起エネルギーのパルスの強度をゼロに駆動するように調整されてもよい。このような技術は、ピーク電力が生成された後に、電気駆動シグナルの符号を反転させる工程を包含し得る。電気信号は、光学シグナルの第1の緩和振動または第1の振動後の担体密度を迅速に低下させるように調整され得る。第1の振動後に担体密度を低減することによって、第1の振動だけの光パルスを生成してもよい。電気信号は、シグナルのピーク後に放射される光子の数を減らすことによって、光シグナルを迅速にオフにする短パルスを生成するように構成されてもよい。ピコ秒レーザダイオードシステムは、いくつかの実施形態によれば、光パルスを放射するように設計されてもよい。いくつかの実施形態では、半導体可飽和吸収体(SESAM)を含む可飽和吸収体を使用して、光学テールを抑制してもよい。そのような実施形態では、可飽和吸収体を使用することにより、光学テールを3~5dBだけ、または場合によっては5dBを超えて抑制し得る。励起パルスにおけるテールの影響を低減することは、励起エネルギーの追加のフィルタリングに関する任意の要件を低減および/または排除するか、測定可能な寿命の範囲を増大させるか、および/またはより速いパルス速度を可能にし得る。励起パルス速度を増大させることにより、所定の時間でさらに多くの実験を行うことが可能になり、これによって、試料物を標識するマーカーの寿命を同定するのに十分な統計値を取得するのに必要な時間が短縮され得る。 In some embodiments, techniques of shortening the duration of the excitation pulse are used to reduce the excitation energy required to detect the luminescent marker, thereby reducing or delaying bleaching and other damage to the luminescent marker. can. Techniques that shorten the duration of the excitation pulse can also be used to reduce the power and/or intensity of the excitation energy after the maximum or peak of the excitation pulse, which can allow for shorter lifetime detection. good. Such techniques may electrically drive the excitation source to reduce excitation power after peak power. The electrical drive signal may be adjusted to drive the intensity of the pulse of excitation energy to zero as quickly as possible after the peak pulse. Such techniques may include reversing the sign of the electrical drive signal after peak power is generated. The electrical signal can be tuned to rapidly reduce carrier density after the first relaxation oscillation or first oscillation of the optical signal. By reducing the carrier density after the first oscillation, a light pulse of only the first oscillation may be generated. The electrical signal may be configured to produce a short pulse that quickly turns off the optical signal by reducing the number of photons emitted after the peak of the signal. Picosecond laser diode systems may be designed to emit pulses of light, according to some embodiments. In some embodiments, saturable absorbers, including semiconductor saturable absorbers (SESAM), may be used to suppress optical tails. In such embodiments, the use of a saturable absorber may suppress the optical tail by 3-5 dB, or even more than 5 dB in some cases. Reducing the effects of the tail in the excitation pulse reduces and/or eliminates any requirement for additional filtering of the excitation energy, increases the range of measurable lifetimes, and/or allows for faster pulse rates. can make it possible. Increasing the excitation pulse rate allows more experiments to be performed in a given time period, thereby obtaining sufficient statistics to identify the lifetime of the markers labeling the sample. The time required can be shortened.
さらに、これらの技術のうちの2つ以上を一緒に使用して、パルス励起エネルギーを生成してもよい。例えば、直接変調された発生源から放射されるパルス励起エネルギーは、光学変調技術を使用してさらに変更されてもよい。励起パルスを変調し、電気パルス駆動シグナルを調整する技術を任意の適切な方法で組み合わせて、寿命測定を実行するためのパルス励起エネルギーを最適化してもよい。調整された電気駆動シグナルは、直接変調された発生源からのパルス励起エネルギーに加えられてもよい。 Additionally, two or more of these techniques may be used together to generate pulsed excitation energy. For example, pulsed excitation energy emitted from a directly modulated source may be further modified using optical modulation techniques. Techniques for modulating the excitation pulse and adjusting the electrical pulse drive signal may be combined in any suitable manner to optimize the pulse excitation energy for performing lifetime measurements. A modulated electrical drive signal may be added to the pulsed excitation energy from a directly modulated source.
いくつかの実施形態では、特定の数のワイヤボンドを有するレーザダイオードをパルス励起源として使用してもよい。より多くのワイヤボンドを有するレーザダイオードは、励起源のインダクタンスを減少し得る。より低いインダクタンスを有するレーザダイオードは、レーザーへの電流をより高い周波数で作動させ得る。インダクタンスを最小にするようにパッケージング方法を選択することにより、より高い周波数で励起源に供給される電力を改善し、より短い励起パルスを可能にし、ピーク後の光学パワーのより迅速な減少および/または発光マーカーを検出するためのパルス繰り返し率増大が可能になる。 In some embodiments, a laser diode with a certain number of wire bonds may be used as a pulsed excitation source. A laser diode with more wire bonds can reduce the inductance of the pump source. A laser diode with a lower inductance will allow the current to the laser to operate at a higher frequency. Choosing a packaging method to minimize inductance improves the power delivered to the excitation source at higher frequencies, allowing for shorter excitation pulses, more rapid decay of optical power after the peak and /or allow for increased pulse repetition rates for detecting luminescent markers.
いくつかの実施形態では、励起源と組み合わせた伝送回路を、光パルスを生成するために使用してもよい。伝送回路は、光パルスの性能および/または品質を改善するために、レーザダイオードのインピーダンスと適合し得る。いくつかの実施形態では、伝送回路インピーダンスは、50オームであってもよい。いくつかの例では、終端抵抗は、反射を避けるために、ラインの抵抗と同様であってもよい。代替的または追加的に、終端インピーダンスは、反射を避けるためにラインのインピーダンスと同様であってもよい。終端インピーダンスは、負のパルスを反射するためにラインのインピーダンスより小さくてもよい。他の実施形態では、終端インピーダンスは、負の反射パルスの形状を制御するために容量性または誘導性構成要素を有してもよい。他の実施形態では、伝送回路は、より高い周波数のパルスを可能にし得る。伝送回路を使用することにより、40MHzから500MHzの範囲内の周波数を有する電気パルスを生成してもよい。伝送回路は、ある一定の時間間隔および特定の時間間隔を有する光パルスを有するパルス光源を生成するために、上記の調整された電気信号と組み合わせて使用してもよい。 In some embodiments, a transmission circuit in combination with an excitation source may be used to generate light pulses. The transmission circuit may match the impedance of the laser diode to improve the performance and/or quality of the optical pulses. In some embodiments, the transmission circuit impedance may be 50 ohms. In some examples, the termination resistance may be similar to the resistance of the line to avoid reflections. Alternatively or additionally, the termination impedance may be similar to the impedance of the line to avoid reflections. The termination impedance may be less than the line impedance to reflect negative pulses. In other embodiments, the terminating impedance may have capacitive or inductive components to control the shape of the negative reflected pulse. In other embodiments, the transmission circuit may allow higher frequency pulses. A transmission circuit may be used to generate electrical pulses having a frequency in the range of 40 MHz to 500 MHz. A transmission circuit may be used in combination with the regulated electrical signals described above to generate a pulsed light source having light pulses with certain time intervals and specific time intervals.
光パルスの生成を改善するために電気信号を調整する技術は、負のバイアス能力を有する回路に励起源を接続する工程を包含し得る。いくつかの実施形態では、光パルス中でテールの放射を減少させるために、光パルスが放射された後に、励起源に負のバイアスを提供してもよい。例示的な回路は、光パルス内のテールの存在を低減するように実施され得る、電流源、ダイオードレーザ、抵抗器、コンデンサ、およびスイッチを備えてもよい。このような回路は、スイッチが閉じられているとき、または導通状態のときに、ダイオードレーザを迂回する一定の電流を生成し得る。スイッチが開いているとき、スイッチは高抵抗を有してもよく、電流はダイオードレーザを通って流れてもよい。光パルスは、間欠的な電流をダイオードレーザに供給するためにスイッチを開閉することによって、生成してもよい。いくつかの例では、抵抗器は十分に高く、コンデンサが充分に小さくて、それによって、スイッチが開いてダイオードレーザが発光するときにコンデンサにかかる電圧が存在するようになる。スイッチが閉じられると、コンデンサにかかる電圧が、ダイオードレーザを逆バイアスする。このような逆バイアスは、光パルス内のテールの存在を低減しても、または排除してもよい。そのような場合、スイッチは、ピーク光パルスの直後に、レーザー出力を減少させるために、光パルスのピーク後に閉じるように構成されてもよい。回路内の抵抗器の値は、コンデンサ上の電荷が、スイッチがその後に開かれる前に放電し、および/またはその後の光パルスがレーザダイオードによって生成されるように選択され得る。 Techniques for conditioning the electrical signal to improve the generation of light pulses may involve connecting the excitation source to a circuit with negative bias capability. In some embodiments, a negative bias may be provided to the excitation source after the light pulse is emitted to reduce tail emission in the light pulse. Exemplary circuits may include current sources, diode lasers, resistors, capacitors, and switches that may be implemented to reduce the presence of tails in light pulses. Such a circuit may generate a constant current that bypasses the diode laser when the switch is closed or conducting. When the switch is open, the switch may have a high resistance and current may flow through the diode laser. Light pulses may be generated by opening and closing a switch to supply an intermittent current to the diode laser. In some examples, the resistor is high enough and the capacitor is small enough so that there is a voltage across the capacitor when the switch opens and the diode laser fires. When the switch is closed, the voltage across the capacitor reverse biases the diode laser. Such reverse biasing may reduce or eliminate the presence of tails in the light pulse. In such a case, the switch may be configured to close after the peak of the light pulse to decrease the laser power just after the peak light pulse. The values of the resistors in the circuit can be chosen such that the charge on the capacitor discharges before the switch is subsequently opened and/or a subsequent light pulse is generated by the laser diode.
光パルスを生成するために、レーザダイオードの電気信号を調整するために、追加の回路構成要素を設けてもよい。いくつかの実施形態では、レーザダイオードに供給される電気信号の波形を制御するために、複数のコンデンサ、抵抗器、および電圧を、ネットワーク回路として接続してもよい。制御された波形は、N個のコンデンサのサブ回路が存在するときに、対応するシグナルS1、S2、...、SNによって多数の電圧V1、V2、...、VNを切り替えることによって生成され得る。 Additional circuitry may be provided to condition the electrical signal of the laser diode to generate the light pulses. In some embodiments, multiple capacitors, resistors, and voltages may be connected in a network circuit to control the waveform of the electrical signal supplied to the laser diode. The controlled waveforms are the corresponding signals S1, S2, . . . , SN determine a number of voltages V1, V2, . . . , VN.
いくつかの実施形態では、光パルスを生成するための電気信号は、無線周波数(RF)および/またはマイクロ波構成要素を含む、個別の構成要素を有する回路を使用してもよい。このような回路に含まれ得る個別の構成要素は、DCブロック、アダプタ、論理ゲート、終端装置、移相器、遅延器、減衰器、コンバイナ、および/またはRF増幅器である。そのような構成要素を使用して、ある一定の振幅を有する正の電気信号を生成し、その後に別の振幅を有する負の電気信号を生成してもよい。正および負の電気信号間には遅延が存在し得る。他の実施形態では、回路は、励起源を駆動するように構成されている電気パルス信号を形成するように結合された複数の電気信号を生成し得る。そのような回路は、光パルスのパワーを増大させるために使用され得る差動出力を生成し得る。回路の個別の構成要素を調節することによって、電気出力シグナルを調節して、寿命測定に適した光パルスを生成してもよい。 In some embodiments, electrical signals for generating light pulses may use circuits with discrete components, including radio frequency (RF) and/or microwave components. Discrete components that may be included in such circuits are DC blocks, adapters, logic gates, terminators, phase shifters, delays, attenuators, combiners, and/or RF amplifiers. Such components may be used to generate a positive electrical signal with one constant amplitude followed by a negative electrical signal with another amplitude. There may be a delay between positive and negative electrical signals. In other embodiments, the circuit may generate multiple electrical signals that are combined to form an electrical pulse signal configured to drive the excitation source. Such circuits can produce a differential output that can be used to increase the power of optical pulses. By adjusting individual components of the circuit, the electrical output signal may be adjusted to produce light pulses suitable for lifetime measurements.
いくつかの実施形態では、励起源を組み合わせて、寿命測定のための光パルスを生成してもよい。同期化されたパルス源は、ある一定の距離にわたって回路または負荷にカップリングされてもよい。いくつかの実施形態では、励起源を回路に並列にカップリングしてもよい。励起源は、同じ発生源からであっても、複数の発生源からであってもよい。複数の発生源を有するいくつかの実施形態では、複数の発生源は、励起源の種類が異なってもよい。発生源を組み合わせる場合、励起源に十分な電力を供給するために、回路と励起源のインピーダンスを考慮することが重要である場合がある。供給源の組み合わせは、パルス励起源を生成するための上述の技術の1つ以上を使用することによって達成されてもよい。 In some embodiments, excitation sources may be combined to generate light pulses for lifetime measurements. A synchronized pulse source may be coupled to a circuit or load over a certain distance. In some embodiments, the excitation sources may be coupled in parallel to the circuit. The excitation sources may be from the same source or from multiple sources. In some embodiments with multiple sources, the multiple sources may differ in the type of excitation source. When combining sources, it may be important to consider the impedance of the circuit and the excitation source in order to provide sufficient power to the excitation source. Combining sources may be accomplished by using one or more of the techniques described above for generating pulsed excitation sources.
励起源は、バッテリまたは励起源に電力を供給するように配置された任意の他の電源を備えてもよい。例えば、励起源は、ベース機器内に位置してもよく、その動作電力は、(例えば、導電性電力リードを介して)それがカップリングされる集積生体分析デバイスを通じて受信されてもよい。励起源は、集積生体分析デバイスの制御とは独立して、または連携して制御されてもよい。ほんの一例として、励起源の制御シグナルは、パーソナルコンピュータおよび/または集積生物分析デバイスと無線で、または有線相互接続(例えば、USB相互接続)を介して励起源に提供されてもよい。 The excitation source may comprise a battery or any other power source arranged to power the excitation source. For example, the excitation source may be located within the base instrument and its operating power may be received through the integrated bioanalytical device to which it is coupled (eg, via conductive power leads). The excitation source may be controlled independently or in conjunction with control of the integrated bioanalytical device. By way of example only, excitation source control signals may be provided to the excitation source wirelessly with a personal computer and/or integrated bioanalytical device or via a wired interconnect (eg, a USB interconnect).
いくつかの実施態様では、励起源は、一体型デバイスの1つ以上のセンサと時間ゲート、および/または同期して動作し得る。例えば、励起源をオンにして発光マーカーを励起し、次にオフにしてもよい。センサは、励起源がオンにされている間はオフにされ、次いで、励起源がオフにされた後にサンプリング間隔の間にオンにされてもよい。いくつかの実施形態では、励起源がオンにされている間、サンプリング間隔の間センサをオンにしてもよい。 In some implementations, the excitation source may operate in time gated and/or synchronized with one or more sensors of the integrated device. For example, the excitation source may be turned on to excite the luminescent marker and then turned off. The sensor may be turned off while the excitation source is turned on, and then turned on during the sampling interval after the excitation source is turned off. In some embodiments, the sensor may be turned on for sampling intervals while the excitation source is turned on.
IV.一体型デバイスおよび励起源による測定の例
試料中の分子を検出、分析および/またはプロービングするための測定は、本出願に記載の一体型デバイスまたは一体型デバイスと励起源との任意の組み合わせを使用して得ることができる。励起源は、パルス励起源であってもよいし、場合によっては、連続波源であってもよい。特定の試料にタグ付けされた発光マーカーは、試料の存在を示し得る。発光マーカーは、励起エネルギー、発光放射波長、および/またはマーカーによって放射される放射エネルギーの寿命によって識別され得る。類似の発光放射波長を有するマーカーは、各マーカーの寿命を決定することによって同定され得る。さらに、同様の寿命を有するマーカーは、各マーカーについて発光放射波長によって同定してもよい。放射された発光の時間的および/またはスペクトル特性の組み合わせによって同定されるマーカーを使用することにより、マーカーおよび関連する試料の定量分析および/または同定を行ってもよい。
IV. Examples of Measurements with Integrated Devices and Excitation Sources Measurements for detecting, analyzing and/or probing molecules in a sample use integrated devices or any combination of integrated devices and excitation sources described in this application. can be obtained by The excitation source may be a pulsed excitation source or, in some cases, a continuous wave source. A luminescent marker tagged to a particular sample can indicate the presence of the sample. Luminescent markers can be identified by excitation energy, emission emission wavelength, and/or lifetime of the radiant energy emitted by the marker. Markers with similar emission emission wavelengths can be identified by determining the lifetime of each marker. Additionally, markers with similar lifetimes may be identified by the emission emission wavelength for each marker. Quantitative analysis and/or identification of markers and associated samples may be performed by using markers that are identified by a combination of temporal and/or spectral properties of emitted luminescence.
寿命測定を使用して、マーカーが試料ウェルに存在することを決定してもよい。発光マーカーの寿命は、発光マーカーが励起状態に励起され、次いで光子が放射される時間が測定される、複数の実験を行うことによって同定され得る。励起源は、励起エネルギーのパルスを生成するようにパルスされ、マーカーに向けられる。励起パルスと発光マーカーからの後続の光子放射事象との間の時間を測定する。このような実験を、複数の励起パルスで繰り返すことによって、特定の時間間隔内に光子が放射する事例の数を決定してもよい。そのような結果は、一連の離散的時間間隔または時間ビン内で起こる光子放射事象の数を表現するヒストグラムを埋めることができる。時間ビンの数および/または各ビンの時間間隔は、特定のセットの寿命および/またはマーカーを同定するように調節され得る。 A lifetime measurement may be used to determine the presence of a marker in a sample well. The lifetime of a luminescent marker can be identified by performing multiple experiments in which the luminescent marker is excited to an excited state and then the time for photon emission is measured. The excitation source is pulsed to produce a pulse of excitation energy and directed at the marker. The time between the excitation pulse and the subsequent photon emission event from the luminescent marker is measured. Such experiments may be repeated with multiple excitation pulses to determine the number of instances in which a photon is emitted within a particular time interval. Such results can populate a histogram representing the number of photon emission events occurring within a series of discrete time intervals or time bins. The number of time bins and/or the time interval between each bin can be adjusted to identify a particular set of lifespans and/or markers.
以下に続くのは、いくつかの実施形態では、発光マーカーを同定するために実施され得る測定の例の記載である。具体的には、発光寿命測定のみ、結合スペクトルおよび発光寿命測定、ならびに発光寿命測定のみを使用するが、ただし2つの異なる励起エネルギーを使用する発光マーカーを識別する例を考察する。実施形態は以下に詳述する実施例には限定されない。例えば、いくつかの実施形態は、スペクトル測定のみを使用して発光マーカーを同定し得る。 Following is a description of example measurements that, in some embodiments, may be performed to identify luminescent markers. Specifically, consider examples of identifying luminescence markers using only luminescence lifetime measurements, binding spectra and luminescence lifetime measurements, and luminescence lifetime measurements only, but using two different excitation energies. Embodiments are not limited to the examples detailed below. For example, some embodiments may identify luminescent markers using spectral measurements alone.
任意の適切な発光マーカーを使用してもよい。いくつかの実施形態では、市販のフルオロフォアを使用してもよい。例としては、限定するものではないが、以下のフルオロフォアを使用してもよい:Atto Rho14(「ATRho14」)、DyLight(登録商標)650(「D650」)、Seta(商標)Tau 647(「ST647」)、CF(商標)633(「C633」)、CF(商標)647(「C647」)、Alexa Fluor(登録商標)647(「AF647」)、BODIPY(登録商標)630/650(「B630」)、CF(商標)640R(「C640R」)および/またはAtto 647N(「AT647N」)。
Any suitable luminescent marker may be used. In some embodiments, commercially available fluorophores may be used. By way of example and not limitation, the following fluorophores may be used: Atto Rho14 (“ATRho14”), DyLight® 650 (“D650”), Seta™ Tau 647 (“ ST647”), CF™ 633 (“C633”), CF™ 647 (“C647”), Alexa Fluor® 647 (“AF647”), BODIPY® 630/650 (“B630 ”), CF™ 640R (“C640R”) and/or
加えて、および/または必要に応じて、発光マーカーは、試料分析プロセスの速度および精度を高めるために、任意の適切な方法で改変してもよい。例えば、光安定化剤は、発光マーカーにコンジュゲートされてもよい。光安定化剤の例としては、限定するものではないが、酸素スカベンジャーまたは三重項クエンチャーが挙げられる。光安定化剤を発光マーカーにコンジュゲートさせることにより、放射される光子の速度を増大してもよく、発光マーカーが光子を放射しない「点滅(blinking)」効果を減少してもよい。いくつかの実施形態では、生物学的事象がミリ秒のスケールで発生する場合、光子放射の増大した速度は、生物学的事象の検出の確率を増大し得る。光子事象の速度の増大は、その後、発光シグナルのシグナル対ノイズ比を増大させ、寿命測定が行われる速度を増大させ、より迅速かつより正確な試料分析がもたらされる。 Additionally and/or optionally, the luminescent markers may be modified in any suitable manner to enhance the speed and accuracy of the sample analysis process. For example, a photostabilizer may be conjugated to a luminescent marker. Examples of light stabilizers include, but are not limited to, oxygen scavengers or triplet quenchers. Conjugation of a photostabilizer to a luminescent marker may increase the rate of emitted photons and may reduce the "blinking" effect in which the luminescent marker does not emit photons. In some embodiments, the increased rate of photon emission may increase the probability of detection of the biological event if the biological event occurs on the millisecond scale. An increase in the rate of photon events, in turn, increases the signal-to-noise ratio of the luminescence signal, increasing the speed at which lifetime measurements are made, resulting in faster and more accurate sample analysis.
さらに、一体型デバイスの試料ウェル内の環境を調整して、必要な場合はマーカーの寿命を設計するために調整してもよい。これは、マーカーの寿命が、環境を使用して調整できるマーカーの状態密度によってもたらされることを認識することによって達成され得る。例えば、マーカーが試料ウェルの底部金属層から遠いほど、寿命は長くなる。したがって、マーカーの寿命を長くするために、ディボットなどの試料ウェルの底面の深さは、金属層からある一定の距離だけ伸びていてもよい。また、試料ウェルを形成するために使用される材料は、マーカーの寿命に影響を及ぼし得る。異なるマーカーは、典型的には、それらの寿命が同じ方向にシフトされる(例えば、より長くても短くても)が、異なるマーカーに対しては異なる程度の影響を与え得る。したがって、自由空間における寿命測定を介して識別し得ない2つのマーカーを、試料ウェル環境を作製することによって識別可能に設計して、様々なマーカーの寿命を調節してもよい。 Additionally, the environment within the sample well of the integrated device may be adjusted to engineer the lifetime of the markers, if desired. This can be achieved by recognizing that marker longevity is driven by the marker's density of states, which can be adjusted using the environment. For example, the farther the marker is from the bottom metal layer of the sample well, the longer the lifetime. Therefore, the depth of the bottom of the sample well, such as the divot, may extend a certain distance from the metal layer in order to increase the lifetime of the marker. Also, the materials used to form the sample wells can affect the longevity of the markers. Different markers are typically shifted in their lifespans in the same direction (eg, longer or shorter), but can affect different markers to different degrees. Thus, two markers that are indistinguishable via lifetime measurements in free space may be designed to be distinguishable by creating a sample well environment to modulate the lifetime of the various markers.
A.寿命測定
寿命測定を、1つの励起エネルギー波長を使用して実行し、試料ウェル内でマーカーを励起してもよい。寿命測定に基づいて個々のマーカーの間を識別するために、明確な寿命を有するマーカーの組合せを選択する。さらに、マーカーの組合せは、使用される励起源によって照射される場合、励起状態に到達し得る。1つの励起を使用して寿命測定用に構成された一体型デバイスは、各試料ウェルが同じ導波路にカップリングするように構成されている行に沿って配置された複数の画素を備えてもよい。画素は、試料ウェルおよびセンサを備える。1つ以上のマイクロキャビティまたはブルズアイ格子を使用して、導波路を各画素の試料ウェルにカップリングしてもよい。
A. Lifetime Measurements Lifetime measurements may be performed using one excitation energy wavelength to excite the markers in the sample well. To discriminate between individual markers based on lifespan measurements, a combination of markers with distinct lifespans is selected. Furthermore, the combination of markers can reach an excited state when illuminated by the excitation source used. An integrated device configured for lifetime measurements using one excitation may comprise a plurality of pixels arranged along rows with each sample well configured to couple to the same waveguide. good. A pixel comprises a sample well and a sensor. One or more microcavities or bull's eye gratings may be used to couple the waveguides to the sample well of each pixel.
パルス励起源は、上述の技術を使用するパルス励起源の1つであってもよい。場合によっては、パルス励起源は、レーザダイオードの直接変調電気ポンピングを通じてパルスを放射するように構成されている半導体レーザダイオードであってもよい。パルスのパワーは、ピーク後、約250ピコ秒でパルスピークパワーの20dB未満である。各励起パルスの時間間隔は、20~200ピコ秒の範囲内である。各励起パルス間の持続時間は、1~50ナノ秒の範囲内である。測定の例がどのように実行され得るかの概略図を図31Aに表す。1つの励起エネルギーが使用されるので、励起エネルギーのセンサへの伝達を低減するのに適した励起フィルターを、上記で考察された波長励起フィルターなどの一体型デバイスに形成してもよい。 The pulsed excitation source may be one of the pulsed excitation sources using the techniques described above. In some cases, the pulsed excitation source may be a semiconductor laser diode configured to emit pulses through direct modulated electrical pumping of the laser diode. The power of the pulse is less than 20 dB of the pulse peak power at approximately 250 picoseconds after the peak. The time interval between each excitation pulse is in the range of 20-200 picoseconds. The duration between each excitation pulse is in the range of 1-50 ns. A schematic diagram of how an example measurement may be performed is presented in FIG. 31A. Since one excitation energy is used, excitation filters suitable for reducing the transmission of excitation energy to the sensor may be formed into an integrated device, such as the wavelength excitation filters discussed above.
各画素のセンサは、1画素あたり少なくとも1つの感光領域を有する。光子は、光子がセンサに達する時間間隔内で検出される。時間ビンの数を増やすことで、一連の時間ビンにわたって収集された光子の記録されたヒストグラムの分解能が向上され得、かつ異なる発光マーカー間の相違が改善され得る。センサが、特定の波長を検出するように構成されている場合、4つの発光マーカーは、特定の波長と同様の発光を放射し得る。あるいは、4つの発光マーカーは、異なる波長で発光し得る。 Each pixel sensor has at least one photosensitive area per pixel. A photon is detected within the time interval in which the photon reaches the sensor. Increasing the number of time bins can improve the resolution of the recorded histogram of photons collected over a series of time bins and improve the differences between different luminescent markers. If the sensor is configured to detect specific wavelengths, the four luminescent markers may emit emissions similar to the specific wavelengths. Alternatively, the four luminescent markers can emit at different wavelengths.
寿命測定に基づいて識別可能な4つの発光マーカーのセットの例は、図31Bのプロットによって表されるように、ATRho14、Cy(登録商標)5、AT647N、およびCF(商標)633である。これらの4つのマーカーは、少なくとも4つの時間ビンが使用されるとき、種々の寿命を有し、識別できるヒストグラムを生成する。図31Cは、16個の時間ビンにわたるこれらのマーカーの各々についてのシグナルプロファイルを概説する。シグナルプロファイルは、各マーカーについて正規化される。時間ビンは、マーカーのそれぞれに固有のシグナルプロファイルを提供するために、時間間隔が変化する。図32Aおよび図32Bは、寿命測定に基づいて、識別可能なマーカーの別の例示的なセット、ATTO Rho14、D650、ST647およびCF(商標)633のそれぞれの連続的および離散的な両方のシグナルプロファイルを図示する。マーカーの他のセットとしては、ATTO Rho14、C647、ST647、CF(商標)633;Alexa Fluor(登録商標)647、B630、C640R、CF(商標)633;およびATTO Rho14、ATTO 647N、AlexaFluor647、CF(商標)633が挙げられる。
An example of a set of four luminescent markers distinguishable based on lifetime measurements are ATRho14, Cy®5, AT647N, and CF™633, as represented by the plot in FIG. 31B. These four markers have different lifetimes and produce distinguishable histograms when at least four time bins are used. Figure 31C outlines the signal profile for each of these markers over 16 time bins. Signal profiles are normalized for each marker. The time bins vary in time interval to provide a unique signal profile for each of the markers. Figures 32A and 32B show both continuous and discrete signal profiles of another exemplary set of distinguishable markers, ATTO Rho14, D650, ST647 and CF™633, respectively, based on lifespan measurements. is illustrated. Other sets of markers include ATTO Rho14, C647, ST647, CF™ 633; Alexa Fluor® 647, B630, C640R, CF™ 633; and ATTO Rho14,
B.スペクトル-寿命測定
寿命測定は、1つ以上の発光マーカーのスペクトル測定と組み合わせてもよい。スペクトル測定は、個々のマーカーの発光の波長に依存し、画素あたり少なくとも2つのセンサ領域を使用して捕獲される。一体型デバイスの例示的な構造は、各々が異なる波長を検出するように構成されている、2つの別個の領域を有するセンサをそれぞれ有する画素を備える。多波長フィルターを使用して、異なる波長の光を各センサ領域に選択的に透過させてもよい。例えば、1つのセンサ領域とフィルターの組合せを構成して、赤色光を検出してもよいが、別のセンサ領域とフィルターの組合せを構成して、緑色光を検出してもよい。
B. Spectral-Lifetime Measurements Lifetime measurements may be combined with spectral measurements of one or more luminescent markers. Spectral measurements depend on the wavelength of emission of individual markers and are captured using at least two sensor areas per pixel. An exemplary construction of an integrated device comprises a pixel each having a sensor with two distinct regions, each configured to detect different wavelengths. Multi-wavelength filters may be used to selectively transmit different wavelengths of light to each sensor area. For example, one sensor area and filter combination may be configured to detect red light, while another sensor area and filter combination may be configured to detect green light.
寿命測定とスペクトル測定の両方を組み合わせることは、試料ウェル内のマーカーを励起するために、1つの励起エネルギー波長を使用して行ってもよい。少なくとも2つの別個の発光波長を有するマーカーの組合せを選択し、別個の寿命を有する、ある波長で放射するマーカーを選択して、寿命およびスペクトル測定に基づいて個々のマーカーの間を識別する。さらに、マーカーの組合せを選択して、使用される励起源によって照射されたときに励起状態に達することができるようにする。 Combining both lifetime and spectral measurements may be performed using one excitation energy wavelength to excite the markers in the sample well. A combination of markers with at least two distinct emission wavelengths is selected, markers that emit at a wavelength with distinct lifetimes are selected, and discrimination is made between individual markers based on lifetime and spectral measurements. Furthermore, combinations of markers are chosen such that they can reach an excited state when illuminated by the excitation source used.
励起源は、パルス励起源であり、上述の技術を使用する励起源の1つであってもよい。場合によっては、パルス励起源は、レーザダイオードの直接変調電気ポンピングを通じてパルスを放射するように構成されている半導体レーザダイオードであってもよい。パルスのパワーは、ピーク後250ピコ秒後にピークパワーが20dB未満である。各励起パルスの持続時間は、20~200ピコ秒の範囲内である。各励起パルス間の時間間隔は、1~50ナノ秒の範囲内である。測定の例がどのように実行され得るかの概略図を図33Aに示す。1つの励起エネルギーが使用されるので、励起エネルギーのセンサへの伝達を低減するのに適した励起フィルターを使用してもよい。
The excitation source is a pulsed excitation source and may be one of the excitation sources using the techniques described above. In some cases, the pulsed excitation source may be a semiconductor laser diode configured to emit pulses through direct modulated electrical pumping of the laser diode. The power of the pulse is less than 20 dB
各画素のセンサは、1画素あたり少なくとも2つの感光領域を有する。いくつかの実施形態では、1画素あたり2つの感光領域がある。他の実施形態では、1画素あたり4つの感光領域がある。各感光領域は、異なる波長または波長範囲を検出するように構成されている。光子は、センサに達する時間間隔内で検出される。時間ビンの数を増やすと、一連の時間ビンにわたって収集された光子の記録されたヒストグラムの分解能が改善され得、個々の寿命によって異なる発光マーカー間の差異が改善され得る。いくつかの実施形態では、センサの1領域ごとに2つの時間ビンが存在する。他の実施形態では、センサの1領域ごとに4つの時間ビンが存在する。 Each pixel sensor has at least two photosensitive areas per pixel. In some embodiments, there are two photosensitive areas per pixel. In other embodiments, there are four photosensitive areas per pixel. Each photosensitive area is configured to detect a different wavelength or range of wavelengths. Photons are detected within the time interval of reaching the sensor. Increasing the number of time bins may improve the resolution of the recorded histogram of photons collected over a series of time bins and improve the differences between luminescence markers that differ by their individual lifetimes. In some embodiments, there are two time bins per area of the sensor. In other embodiments, there are four time bins per region of the sensor.
寿命測定に基づいて識別可能な4つの発光マーカーのセットの例は、ATTO Rho14、AS635、AlexaFluor(登録商標)647、およびATTO 647Nである。これらの4つのマーカーは、1つの同様の波長および別の同様の波長で放射する2つのマーカーを有する。同様の波長で放射するマーカーの各対の中で、一対のマーカーは、少なくとも4つの時間ビンが使用されるとき、異なる寿命を有し、識別できるヒストグラムを生成する。この例では、ATTO Rho14およびAS635は、同様の発光波長を放射し、明確な寿命を有する。AlexaFluor(登録商標)647およびATTO 647Nは、ATTO Rho 14およびAS635によって放射される波長とは異なる、同様の発光波長を放射し、明確な寿命を有する。図33Bは、このマーカーのセットに対する放射波長の関数としてのプロット寿命を表しており、これらのマーカーの各々が寿命と放射波長の組合せに基づいてどのように識別可能であるかが図示される。図34Aは、ATT Rho14、Alexa Fluor(登録商標)647、およびATT)647Nの波長の関数としてのパワーのプロットを表す。図34Bは、135nmの直径を有する試料ウェル中に存在する場合、これらのマーカーのそれぞれ1つについての経時的な蛍光シグナルのプロットを表す。図35Aは、4つの感光領域にわたるこれらのマーカーのシグナルプロファイルを図示し、各領域は4つの時間ビンを捕獲する。シグナルプロファイルを正規化し、これを使用して、4つの時間ビンのそれぞれについて感光領域によって捕獲された光子の相対数によって異なるマーカー間を識別する。そのようなスペクトル寿命測定のための4つのフルオロフォアの他のセットは、ATRho14、D650、ST647、CF(商標)633;ATTO Rho14、C647、ST647、CF(商標)633;Alexa Fluor(登録商標)647、B630、C640R、CF(商標)633;およびATTO Rho 14、ATTO 647N、Alexa Fluor(登録商標)647、CF(商標)633である。図35Bは、ATRho14、D650、ST647、およびC633の経時的な強度のシグナルプロファイルのプロットを表す。図35Cは、ATRho14のシグナルプロファイルを図示する。
An example of a set of four luminescent markers distinguishable based on lifetime measurements is ATTO Rho14, AS635, AlexaFluor® 647, and
C.寿命-励起エネルギー測定
少なくとも2つの励起エネルギー波長を使用することと組み合わせた寿命測定を使用して、複数のマーカーの間を識別してもよい。1つの励起波長が使用され、別の励起波長が使用されない場合、いくつかのマーカーが励起され得る。寿命測定に基づいて個々のマーカーの間を識別するために、各励起波長に対して、明確な寿命を有するマーカーの組合せを選択する。この実施形態では、一体型デバイスは、各画素を1つの領域を有するセンサを備えるように構成してもよく、外部励起源は、時間的インターリービングを有する電気的に変調されたパルスダイオードレーザである2つの励起エネルギー波長を提供するように構成されてもよい。
C. Lifetime-Excitation Energy Measurements Lifetime measurements in combination with using at least two excitation energy wavelengths may be used to discriminate between multiple markers. If one excitation wavelength is used and another excitation wavelength is not used, several markers can be excited. To distinguish between individual markers based on lifetime measurements, a combination of markers with distinct lifetimes is selected for each excitation wavelength. In this embodiment, the integrated device may be configured with a sensor having one area for each pixel, and the external excitation source is an electrically modulated pulsed diode laser with temporal interleaving. It may be configured to provide certain two excitation energy wavelengths.
励起源は、少なくとも2つの励起エネルギーの組合せである。励起源は、パルス励起源であり、上述した技術を使用する1つ以上の励起源であってもよい。いくつかの例では、パルス励起源は、レーザダイオードの直接変調電気ポンピングを通じてパルスを放射するように構成されている2つの半導体レーザダイオードであってもよい。パルスのパワーは、ピーク後の250ピコ秒でのパルスピークパワーよりも20dB低い。各励起パルスの時間間隔は、20~200ピコ秒の範囲内である。各励起パルス間の時間間隔は、1~50ナノ秒の範囲内である。1つのパルスについて1つの励起波長が放射され、励起波長を知ることによって、明確な寿命を有するマーカーのサブセットが一意的に同定される。いくつかの実施形態では、励起のパルスが異なる波長の間で交互になる。例えば、2つの励起波長が使用される場合、後続のパルスは1つの波長と他の波長との間で交互になる。測定の例がどのように実行され得るかの概略図を、図36Aに表す。異なる波長を有する複数の励起源とインターリービングパルスを組み合わせるための任意の適切な技術を使用してもよい。1つ以上の励起波長のパルスを、図示された試料ウェルの列に送達するためのいくつかの技術の例を、本明細書に記載する。いくつかの実施形態では、試料ウェルの列ごとに単一の導波路があり、組み合わせられた2つの励起源があり、その結果励起エネルギーのパルスが2つの励起波長の間で交互になる。いくつかの実施形態では、試料ウェルの1行ごとに2つの導波路があり、各導波路は2つの励起波長のうちの1つを搬送するように構成される。他の実施形態では、画素の1行あたり単一の導波路があり、1つの波長は、導波路の一端にカップリングし、別の波長は他の端にカップリングする。 An excitation source is a combination of at least two excitation energies. The excitation source is a pulsed excitation source and may be one or more excitation sources using the techniques described above. In some examples, the pulsed excitation source may be two semiconductor laser diodes configured to emit pulses through direct modulated electrical pumping of the laser diodes. The power of the pulse is 20 dB below the pulse peak power at 250 picoseconds after the peak. The time interval between each excitation pulse is in the range of 20-200 picoseconds. The time interval between each excitation pulse is in the range of 1-50 ns. One excitation wavelength is emitted for one pulse, and knowledge of the excitation wavelength uniquely identifies a subset of markers with well-defined lifetimes. In some embodiments, pulses of excitation alternate between different wavelengths. For example, if two excitation wavelengths are used, subsequent pulses alternate between one wavelength and the other. A schematic diagram of how an example measurement may be performed is presented in FIG. 36A. Any suitable technique for combining multiple excitation sources with different wavelengths and interleaving pulses may be used. Several examples of techniques for delivering pulses of one or more excitation wavelengths to the illustrated array of sample wells are described herein. In some embodiments, there is a single waveguide per row of sample wells and two excitation sources combined so that the pulses of excitation energy alternate between the two excitation wavelengths. In some embodiments, there are two waveguides per row of sample wells, each waveguide configured to carry one of the two excitation wavelengths. In other embodiments, there is a single waveguide per row of pixels, with one wavelength coupled to one end of the waveguide and another wavelength coupled to the other end.
各画素のセンサは、1画素あたり少なくとも1つの感光領域を有する。感光領域は、5ミクロン×5ミクロンの寸法を有し得る。光子は、センサに達する時間間隔内で検出される。時間ビンの数を増やすと、一連の時間ビンにわたって収集された光子の記録されたヒストグラムの分解能が向上し、異なる発光マーカー間の差異が改善され得る。センサは、少なくとも2つの時間ビンを有する。 Each pixel sensor has at least one photosensitive area per pixel. The photosensitive area may have dimensions of 5 microns by 5 microns. Photons are detected within the time interval of reaching the sensor. Increasing the number of time bins can improve the resolution of the recorded histogram of photons collected over a series of time bins and improve the differences between different luminescent markers. The sensor has at least two time bins.
寿命測定に基づいて識別可能な4つの発光マーカーのセットの例は、AlexaFluor(登録商標)546、Cy(登録商標)3B、AlexaFluor(登録商標)647、およびATTO 647Nである。図36Bに表すように、Alexa Fluor(登録商標)546およびCy(登録商標)3Bは、1つの波長、例えば532nmで励起し、明確な寿命を有する。Alexa Fluor(登録商標)647およびATTO 647Nは、別の波長640nmで励起し、図37Aに表すように明確な寿命を有する。640nmで両方とも励起されるATTO647NおよびCF(商標)333についての16個の時間ビンにわたる識別可能な正規化されたシグナルプロファイルが、図37Bに表されている。既知の励起波長の後に光子を検出することによって、これらの2つの対のマーカーの1つを、前の励起波長に基づいて決定し、対の各マーカーを寿命測定に基づいて同定する。
An example of a set of four luminescent markers identifiable based on lifetime measurements is AlexaFluor® 546, Cy® 3B, AlexaFluor® 647, and
等価物と範囲
本出願の様々な態様は、単独で、組み合わせて、または前述の実施形態で具体的に考察されていない様々な配置で使用されてもよく、したがって、その適用において、前述の詳細な説明に示されるか、または図面に図示される構成要素の詳細および配置に対するその適用には限定されない。例えば、一実施形態に記載される態様は、他の実施形態に記載される態様と任意の方式で組み合わされてもよい。
Equivalents and Scope Various aspects of the present application may be used singly, in combination, or in various arrangements not specifically discussed in the foregoing embodiments, and therefore, in their application, should not be construed as having the foregoing details. It is not limited in its application to the details and arrangements of components shown in the description or illustrated in the drawings. For example, aspects described in one embodiment may be combined in any manner with aspects described in other embodiments.
また、本発明は、少なくとも1つの実施例が提供された方法として具体化されてもよい。方法の一部として実行される行為は、任意の適切な方法で順序付けされてもよい。従って、図示されている実施形態では連続的な行為として表されているが、いくつかの行為を同時に実行することを含み得る、図示されていない順序で行為が行われる実施形態が構築されてもよい。 Also, the present invention may be embodied as a method, of which at least one embodiment is provided. Acts performed as part of a method may be ordered in any suitable manner. Thus, although depicted as sequential acts in the illustrated embodiment, embodiments may be constructed in which the acts are performed in a sequence not illustrated, which may include performing several acts simultaneously. good.
特許請求の範囲の要素を修飾する、特許請求の範囲における「第1」、「第2」、「第3」などのような序数の用語の使用は、それ自身では、ある方法の行為を行う際、1つのクレーム要素の任意の順序的優先順位、重要性優先順位、または順序が、別の順序または時間的順序を上回っていることを暗示するのではなく、クレーム要素を識別するために同じ名前を有する(ただし、序数の用語の使用について)別の要素から、ある一定の名称を有する1つのクレーム要素を識別するための標識としてのみ使用される。 The use of ordinal terms such as “first,” “second,” “third,” etc. in a claim to modify claim elements does, by itself, act in a certain way. When using the same claim elements to identify the claim elements, rather than implying that any sequential priority, weight priority, or order of one claim element precedes another or chronological order. It is used only as a marker to distinguish one claim element having a given name from another element having a name (with the exception of the use of ordinal terminology).
また、本明細書で使用される専門用語および用語は、説明のためのものであり、限定的であると見なされるべきではない。「含む、包含する、が挙げられる(including)」、「含む、包含する(comprising)」、または「有する(having)」、「含む、備える(containing)」、「含む、包含する、備える(involving)」、およびそれらの変形とは、その後に列挙された項目およびその等価物ならびに追加の項目を包含することを意味する。 Also, the terminology and terminology used herein are for the purpose of description and should not be regarded as limiting. "including", "comprising" or "having", "containing", "including" )”, and variations thereof, are meant to encompass the items listed thereafter and their equivalents and additional items.
Claims (21)
(i)標的容積部中の複合体を複数のタイプの発光標識ヌクレオチドに曝露する工程であって、前記複合体が、鋳型核酸、プライマー、および重合酵素を含み、各タイプの発光標識ヌクレオチドが、異なる発光寿命および発光強度の少なくとも一方を有する工程、
(ii)1つまたは複数の励起エネルギーの一連のパルスを、前記標的容積部の近傍へと向かわせる工程、
(iii)前記プライマーを含む核酸内への順次組み込み中に、発光標識ヌクレオチドからの複数の放射光子を検出する工程、
(iv)各検出された放射光子について、事前の励起エネルギーのパルスと前記放射光子の検出との間の経過時間を決定する工程、ならびに
(v)前記発光標識ヌクレオチドの発光寿命および発光強度を決定することにより、組み込まれたヌクレオチドの配列を識別する工程であって、前記発光寿命が、複数の放射光子についての事前の励起エネルギーと前記放射光子の検出との間の経過時間に基づき決定され、前記発光強度が、単位時間あたりの放射光子の数に基づき決定される工程
を備える方法。 A method for determining the sequence of a template nucleic acid , comprising:
(i) exposing the complexes in the target volume to multiple types of luminescently labeled nucleotides, said complexes comprising template nucleic acids, primers, and polymerizing enzymes, each type of luminescently labeled nucleotides comprising: having at least one of different luminescence lifetimes and luminescence intensities;
(ii) directing a series of one or more pulses of excitation energy into the vicinity of said target volume;
(iii) detecting multiple emitted photons from luminescently labeled nucleotides during sequential incorporation into a nucleic acid comprising said primer;
(iv) for each detected emitted photon, determining the elapsed time between a prior pulse of excitation energy and detection of said emitted photon;
(v) identifying the sequence of the incorporated nucleotide by determining the emission lifetime and emission intensity of said luminescently labeled nucleotide, wherein said emission lifetime is equal to said prior excitation energy for a plurality of emitted photons; determined based on the elapsed time between detection of emitted photons, wherein the luminescence intensity is determined based on the number of emitted photons per unit time.
How to prepare.
式中、各スルホナートまたはカルボキシラートが、独立して任意選択でプロトン化されている、請求項1~7のいずれか1項に記載の方法。 A method according to any one of claims 1 to 7, wherein each sulfonate or carboxylate is independently optionally protonated.
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